Источник: Металл и литье Украины 9-10, 2005, с. 37-39.
Обычно при прокатке трубной заготовки используют следующую последовательность калибров: подготовительный овал, предчистовой овал и чистовой круглый калибр. Наличие гладкой бочки в валках обжимно-заготовочного стана ограничивает число размещаемых на них калибров. Анализ показывает, что можно отказаться от подготовительного овального калибра и использовать только один (специальный) овальный калибр.
Детальная проработка условий стана 950/900 ЗАО «ММ3 «ИСТИЛ (Украина)» показала, что прокатывать из блюма на влети 900 за три прохода трубную заготовку диаметром 310 мм и более не представляется возможным, так как необходимый для этого блюм невозможно передать от клети 950 по линия стана в связи с недостаточным (355мм) раствором в свету между ножами ножниц. В связи с этим овальный калибр для прокатки кругов диаметром 310-330 мм размещен в валках клети 950. Из условий наиболее рационального размещения калибров на валках и с учетом анализа возможностей оборудования стана для прокатки трубной заготовки крупных сечений разработан монтаж калибров в валках.
В валках клети 950 врезают: гладкую бочку, специальный овальный калибр для прокатки трубной заготовки диаметром 310-330мм (он же работает как подготовительный овальный калибр для самого себя и для овального калибра для прокатки трубной заготовки диаметром 290-305мм) и два чистовых круглых калибра из диапазона 310-330мм. Для получения на клети 950 профилей других диаметров из диапазона 310-330мм необходимо использовать другой комплект валков. В валках клети 900 врезают предчистовой овальный калибр для прокатки трубной заготовки диаметром 290-305мм и четыре чистовых круглых калибра из диапазона 290-305 мм.
Прокатка трубной заготовки диаметром 310-330мм осуществляется следующим образом: слиток за несколько проходов прокатывают до необходимого сечения на гладкой бочке, после чего передают в овальный калибр для прокатки круга диаметром 310-330 мм, который в этом случае работает как ящичный калибр. После кантовки в этом калибре получают готовый овальный подкат для чистового калибра, врезанного в валки клети 950 или предчистового, врезанного в валки клети 900, где соответственно и прокатывают готовый профиль. Специальный овальный калибр должен обеспечивать устойчивость подката, полученного на гладкой бочке при обжатии в калибре, устойчивость раската, полученного в этом калибре в нем же после кантовки, устойчивость подката из этого калибра в чистовом круглом калибре, возможность использования раската из специальной калибра в качестве подката для предчистового овального калибра при прокатке трубной заготовки диаметром 290-305мм. При этом калибр должен обеспечивать минимальную величину неконтактных зон при прокатке в нем и в чистовом калибре для получения высокого качества поверхности готовой трубной заготовки. Вопрос устойчивости раскат особенно актуален в связи с отсутствием возможности установки на клети 950 привалковой арматуры. Для обеспечения устойчивости и минимизации величины неконтактных зон при прокатке необходимо обеспечить возможно более точное совпадение контуров подката и калибра в момент входа металла в валки. При проектировании калибровки круга диаметрам 310-330 мм с применением принятой схемы прокатки наиболее критичны с точки зрения устойчивости раската следующие проходы:
- первый проход в специальном овальном калибре (прокатка подката, полученного на гладкой бочке);
- первый проход после кантовка в специальном овальном калибре (прокатка скантованного подката, полученного в этом же калибре);
- чистовой проход в круглом калибре.
С учетом необходимости унификации калибровок стана 950/900 необходимо было предусмотреть также возможность использовании специаль¬ного овального калибра для прокатки кругов диаметром 310-330 мм в качестве подготовительного овального калибра для кругов диаметром 290-305 мм, что определяет его более сложную форму и требует анализа еще одного критического прохода (первый проход в овальном калибре для кругов диаметром 290-305 мм).
Размеры чистовых круглых калибров определены в соответствии с требованиями ГСТУ 3-009-2000 с учетом допусков на прокат. Форма специаль¬ного овального калибра для прокатки кругов диаметром 310-330 мм определяется размерами раската, передаваемого с гладкой бочки в овальный калибр, формой чистовых круглых калибров диаметром 310-330 мм и формой овального калибра для кругов диаметром 290-305 мм.
С целью определения факторов, влияющих на величину критерия ус-тойчивости, проведено компьютерное моделирование калибра и исследованы условия захвата металла калибром при изменении одного или двух его геометрических параметров. При этом остальные его размеры не изменяли и принимали равными размерам, полученным при предварительном расчете калибра. Устойчивость раската в начальный момент контакта его с валками охарактеризована нами условным коэффициентом: К=Sk•Ck/Sp•Cp, показывающим отношение статического момента, равного произведению проекции площади начального контакта Sk• на плечо силы смятия Ck, к статическому моменту максимально возможной проекции площади начального смятия Sp Ср.
Значение предложенного показателя находятся в интервале K от 0 до l. При К = 1 устойчивость полосы максимальна. Полоса контактирует с валком по всей (возможной) поверхности. Такое значение К принимает при прокатке прямоугольной полосы на гладкой бочке валков. В большинстве случаев при прокатке в калибрах начальный контакт полосы с валком осуществляется на небольшой площади. В случае первоначального контакта полосы с валками ближе в периферии калибра, статический момент, а соответственно и К, будут большими, чем при начальном контакте в области вертикальной оси симметрии калибра. В последнем случае это приходит к потере устойчивости раската ("сваливание", скручивание и т.д.). Такой процесс реализуется, например, при прокатке овальной полосы в круглом калибре. Для оценки ус-тойчивости режима прокатки, включающего n проходов, общий критерий К определяется как корень n-ной степени из произведения n частных критериев. При сопоставительном анализе сходных калибровок целесообразно рассчитывать общий критерий К. учитывая частные критерии только критических проходов, то есть тех, которые осуществляются со сменой калибра ила после кантовки. Коэффициенты рассчитаны в критических 9, 15 и 17 проходах для режима обжатий, разработанного для прокатки круга диаметром 330 мм. Проведенный анализ показывает, что в наибольшей мере на величину критерия устойчивости влияют следующие параметры: радиус и координаты центра окружности описываемой радиусом R, в также угол выпуска калибра. Поэтому поиск оптимальных значений этих параметров, обеспечивающих максимальное значение критерии устойчивости, и является основной задачей на данном этапе. В качестве начального приближения оптимизируемых параметров используют значения, определенные на предварительном этапе проектирования (на предварительном этапе строят конфигурацию специаль¬ного овального калибра, исходя из конструктивных соображений и размеров раската). Поиск максимума производится путем многократного последовательного изменения каждого из варьируемых параметров. После расчёта поля оптимальных значений необходимо из конструктивных соображений выбрать близкие к оптимальным значения и округлить их до целых чисел. Для определения поверхности контакта полосы с валками разработан алгоритм расчета поверхности контакта полосы с валком, базирующийся на геометрической модели раската, полученной обмером большого числа недокатов. Суть геометрической модели деформированной полосы состоит в том. что последняя формируется путем исключения из «фиктивной» полосы области, занятой валками. Пересечением двух областей называется область, состоящая из всех точек, принадлежащих как первой, так и второй области. Форма «фиктивной» полосы определяется следующим образом. До некоторой точки х она совпадает с реальной. Начиная с этой точки контур сечения «фиктивной» полосы деформируется в плоскости перпендикулярной направлению прокатки. Деформация состоит в том, что боковые поверхности полосы расходятся по оси у, а между ними появляется плоская «крыша», шириной 2?(х). Это позволяет моделировать уширение полосы. Границу поверхности контакта полосы с валками находим как линию пересечения геометрического образа валков с геометрическим образом «фиктивной» полосы.
Для того, чтобы реализовать описанный алгоритм, необходимо иметь уравнения поверхностей валков и «фиктивной» полосы. Если глубина ручья изменяется но закону z=h(у), то радиус валка, в зависимости от координаты у, изменяется по закону Ry=R0-h(у), (1) где R0 - радиус бочки валка. Уравнение поверхности валка имеет вид: (z-z0)2+x2=R2(y) (2) где z0 - координата оси валка, s - межвалковый зазор. Подставляя (1) в (2) и определяя из получившегося уравнения z, получаем уравнение поверхности валка/ Уравнение контура ручья z = h(у) записывается по участкам со стыковкой на границах. Контуры ручьев заданы в виде последовательно расположенных отрезков прямых и дуг окружностей. Отрезки задаются следующим набором параметров: координата на-чальной точки отрезка, координата конечной точки, угол наклона к горизонтальной оси Y: Дуги задаются следующим набором параметров: координата начальной точки, координата конечной точки, величина радиуса, координаты центра дуги. Примем уравнение поверхности фиктивной полосы z = Н(х,у). Пусть уравнение контура сечения исходной полосы будет, z = Н0(у).
Функция D(х) должна удовлетворять следующим граничным условиям. l) D(x1)=0 и dD(х1)/dx=0, что указывает на начало уширения в точке х1 и гладкую стыковку уширяющегося участка с жестким концом заготовки; 2) D(0)=Bk-В0, и dD(0)/dx=0, аналогичное условие в конце очага деформации (здесь Bk и В0 -соответственно, половина ширины полосы до и после прокатки).
Таким образом, разработана калибровка валков для прокатки круглой заготовки больших диаметров, учитывающая устойчивость раската при его захвате валками. Разработан алгоритм расчета поверхности контакта полосы с валком.