Магистрант Крупенькин И. И., к т. н. Талмазан В. А., инженер Ержанов А. С

Для сохранения плоской формы прокатываемой полосы, применяют различные методы, которые по направлению воздействия можно разбить на три группы [1], а именно: 1) методы воздействия на активную образующую рабочих валков; 2) методы воздействия на натяжение; 3) методы воздействия на кинематику процесса прокатки.

Основным методом статического формирования активной образующей рабочих валков в клетях, не оснащенных устройствами изменения взаимного положения валков, является станочная профилировка, которая служит для компенсации упругих деформаций валковой системы, износа и тепловой выпуклости валков.

Для динамического регулирования профилировки рабочих и опорных валков существует несколько способов. Фирмами «Сумитомо киндзоку когё», Япония, и «Блоу Нокс», США, разработаны клети с опорными валками регулируемой выпуклости (VC) [2]. Их особенностью является способность регулирования профилировки опорного валка из-за радиального расширения бочки. Между телом валка и его оболочкой имется полость (масляная камера), куда через осевые и радиальные каналы под давлением 50 МПа и более подается масло. Выпуклость может меняться в пределах 0-300 мкм.

Фирмой «Selema Srl» (Италия) разработана конструкция ролика, имеющего несколько внутренних кольцевых масляных камер, в которые под давлением подается масло, и поверхность ролика приобретает распределенную выпуклость, необходимую для выравнивания вытяжек по ширине полосы [3]. С целью регулирования вытяжки по ширине прокатываемых полос предложено устройство, представляющее собой два ролика, размещенных друг над другом, с сопряженными профилировками: один выпуклый, другой вогнутый. При смещении, величина которого вычисляется с учетом принципа Сен-Венана, устройства вверх-вниз, полоса, проходящая между роликами, огибает один из них; при этом выравнивается распределение вытяжки по ширине. Фирма IHI Metaltech (Япония) разработала пневматический стрессометрический ролик, состоящий из колец, которые надеваются на неподвижный вал и поддерживаются вдуваемым через расположенные по всей поверхности вала форсунки воздухом, создавая, таким образом, пневматический подшипник. На базе такого измерительного ролика Фирма IHI Metaltech разработала систему измерения распределения удельных натяжений и неплоскостности в прокатываемой полосе.

Для управления формой межвалкового зазора под нагрузкой фирма “Davy McKee”, Великобритания, разработала валковый узел динамического профилириования [4]. Опорный валок состоит из неподвижной стальной оси, вокруг которой вращается втулка. Внутри втулки c помощью семи гидроцилиндров создается определенное давление масла, образующее пленку между каждым цилиндром и втулкой. Когда цилиндры перемещают втулку относительно неподвижной оси, то зазор между валками изменяется, и происходит регулирование плоскостности прокатываемой полосы.

К методам динамического профилирования валков можно отнести и управляемое изменение эффективной длины бочки опорного валка. Такую клеть разработала фирма “Инноченти Сантэустачио”, Италия [5]. Опорный валок на обоих концах имеет по крайней мере одну пару кольцевых секторов, диаметр которых с помощью гидромеханического привода может изменяться и достигать диаметра основной части опорного валка. Таким образом, изменяется длина контакта опорного и рабочего валков и, соответственно, прогиб и активная образующая рабочего валка. По сходному принципу функционируют опорные валки клети SCR, разработанные фирмой MDM, Германия [6]. Краевые части опорных валков имеют полость и расширяются контролируемым давлением масла в ней, изменяя характер межвалкового давления, особенно по краям прокатываемой полосы. Давление масла в полостях опорных валков SCR является регулирующим параметром системы управления плоскостностью полос.

Для динамического регулирования термической выпуклости рабочих валков используются методы их секционного (зонного) охлаждения водой или подогрева высокочастотными индукторами или газовыми горелками [7, 8]. Фирма VAI, Австрия, использует три коллектора для подачи охлаждающей воды на валок: один основной и два дополнительных с каждой стороны валка [8]. Для обеспечения плоской формы прокатываемых полос разработана система охлаждения рабочих валков с регулируемыми форсунками для охлаждения участков валка над прикромочными участками полосы; в управляющую систему вводится сигнал с измерителя плоскостности. С целью стабилизации распределения теплового поля рабочих валков предложено устройство поддержания постоянного центрального угла валка, подверженного охлаждению водой независимо от диаметра валка.

Методы регулирования термической выпуклости рабочих валков имеют значительную инерционность.

При очевидной простоте идеи реализация систем принудительного изгиба валков в вертикальной плоскости дала широкий простор для творчества, что отразилось на значительном числе разработок [7,9]. Гораздо реже применятся способ принудительного изгиба рабочих валков в горизонтальной плоскости, для реализации которого предполагается установка рабочих валков со смещением относительно линии центров опорных и горизонтальное воздействие роликовых опор на бочку рабочих валков в направлении, противоположном смещению. Этот способ нашел применение на станах MKW (универсальный стан холодной прокатки), кроме того, известно применение изгиба рабочего валка в горизонтальном направлении на стане Тейлора путем перераспределения крутящих моментов между рабочими валками большого и малого диаметра [10].

К настящему времени разработаны технические решения, связанные с изменением взаимного положения валков в клети для обеспечения эффективного управления профилем поперечного сечения и плоскостностью прокатываемой полосы [10-13]. К основным из этих решений относятся: шестивалковые клети с осевой сдвижкой промежуточных и/или рабочих валков, а также с горизонтальным смещением рабочих валков; клети с попарно скрещивающимися валками; четырехвалковые клети с осевой сдвижкой рабочих валков.

Идея поперечного перемещения металла в очаге деформации была использована в теоретических работах [14], в которых выражение для функции распределения скоростей металла определялись в зависимости от неравномерности распределения натяжений на границах очага деформации под влиянием внешних воздействий.В работах также показано, что технически возможно создать условия, способствующие поперечному перемещению металла в очаге деформации при тонколистовой прокатке.

Известно, что величина уширения при прокатке растет с уменьшением ширины прокатываемых полос, другими словами, доля поперечной составляющей перемещения металла в очаге деформации увеличивается с уменьшением относительной ширины последнего. Это явление используется для улучшения плоскостности прокатываемых полос. Так, например, способ горячей листовой прокатки [15] основывается на дроблении очага деформации в направлении прокатки. При этом способе раскату придают волнообразный профиль прокаткой в профилированных валках, а в следующем проходе прокатывают в валках с гладкой бочкой. При прокатке в валках с гладкой бочкой металл получает возможность перемещения в поперечном направлении.

Неравномерное распределение обжатий по ширине полосы приводит к появлению дополнительных продольных напряжений. В свою очередь, эти напряжения приводят к изменению формы эпюр переднего и заднего натяжения. Изменение формы эпюр приводит к изменению величины упругого сплющивания поверхности валка в контакте с полосой, что в свою очередь способствует выравниванию обжатий, вытяжек и скоростей течения полосы в очаге пластической деформации. Приложение натяжений усиливает эффективность этого механизма самовыравнивания. Действие натяжения на участок полосы, вытяжка которого меньше средней по полосе, приводит к тому, что контактное давление на этом участке уменьшится, уменьшится на этом участке и упругое сплющивание рабочего валка, и распределение удельных натяжений выравнивается. Можно сказать, что этот механизм самовыравнивания играет роль отрицательной обратной связи по натяжению. Этот механизм достаточно хорошо изучен, его исследованию посвящён ряд работ, например, [16].

Способность натяжения выравнивать обжатия, вытяжки и скорости течения металла по ширине полосы используют как при холодной, так и при горячей прокатке. Известен способ горячей прокатки [17], при котором для исключения гофрообразования подката, полученного способом непрерывной разливки, его перед прокаткой в стане пропускают через клеть с протяжными роликами. Натяжение между обжимающей клетью установки непрерывной разливки и протяжными роликами подбирается такой величины, чтобы избежать ползучести металла. В результате такой протяжки может исправляться волнистость подката величиной до 400 единиц I.

Основные положения теории продольной прокатки выводятся на основе симметричного процесса, определяющими чертами которого являются следующие: валки имеют одинаковый диаметр; условия трения со стороны обоих валков одинаковы; окружные скорости валков равны; оба валка являются приводными; движение полосы равномерное прямолинейное; полоса однородна по механическим свойствам и имеет прямоугольное поперечное сечение.

Такой процесс прокатки, называемый простым [18] или идеализированным, на практике никогда не встречается – диаметры валков всегда имеют различие по величине; условия трения верхнего и нижнего валка на контакте с полосой всегда отличаются из-за неравномерности подачи смазки и различных температур верхнего и нижнего валков; окружные скорости вращения валков также имеют отличие. Эти и другие условия вносят в процесс прокатки асимметричность.

Практически во всех исследованиях влияния рассогласования окружных скоростей рабочих валков, неважно чем вызванного – неравенством диаметров рабочих валков при одинаковой угловой скорости их вращения или неравенством угловых скоростей вращения рабочих валков при равенстве их диаметров – на энергосиловые параметры прокатки и геометрические и физикомеханические параметры прокатываемых полос, отмечалось улучшение их плоскостности.

На «Северсталь» опробовали способ тонколистовой холодной прокатки [19, 20], при котором, с целью повышения качества поверхности и улучшения плоскостности листов, прокатку вели с рассоглосованием скоростей рабочих валков в части клетей. Количество этих клетей определяли последовательным чередованием через клеть, начиная с последней по ходу прокатки. По сравнению с симметричной прокаткой опытная прокатка одних и тех же типоразмеров показала уменьшение неплоскостности с 6-18 мм на 1000 мм длины полосы до 2-7 мм, а выход годных листов вырос с 20% до 72%. Было отмечено, что плоскостность полос улучшалась в 2-3 раза по сравнению с симметричным процессом для режимов, при которых усилие прокатки снижалось на 6-8%.

Все вышесказанное обусловливает актуальность исследований процессов формообразования полос и листов при симметричной и асимметричной горячей прокатке, математического моделирования на основе современных представлений о механике сплошных сред, теории прокатки, прикладной математики и компьютерных технологий. Это позволит разрабатывать наукоёмкие энергосберегающие технологии производства листового проката, соответствующего европейским стандартам, укрепляющие и развивающие экспортный потенциал Казахстана.

1. 
   Контактное взаимодействие металла и инструмента при прокатке./ Полухин П.И. [и др.] - М.: Металлургия, 1974. – 200 с.
   
2. 
   Sumitomo VC rollsystem: Проспект / фирма “Сумитомо метал индастриз”, Япония, № 32023. 1976. – 52 с.
   
3. 
   Patent EP 1918035 A1. Tension levelling system of a metal strip / Serafino Cozzi, Selema Srl/ Application numbe EP20070020017, Publication date May 7, 2008.
   
4. 
   Новые методы снижения разнотолщинности и неплоскостности при прокатке тонких полос и фольги./ Б.Н. Матвеев // Производство проката. 2000. № 7. - С. 42-47.
   
5. 
   Управление профилем и формой горячекатаных полос и листов за рубежом./ Л.Ф. Ромашкевич, Я.С. Масальский, Ю.П. Божко// Черная металлургия. Бюл. НТИ. 1987. № 13. – С. 20-30.
   
6. 
   Патент RU 2208486 C2 B21B27/03, B21B37/38. Опорный валок для динамического контроля выпуклости./ Г. Лемпер – № 99124417/02.
   
7. 
   Развитие конструкций листовых станов для прокатки полосы точного профиля в СССР и за рубежом./ Б.Я. Бейнфест, С.Е. Рокотян// НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1976. № 1-76-30. – 52 с.
   
8. 
   Применение современных технологических методов для улучшения профиля и плоскостности горячекатаной полосы./ Д. Ауцингер [и др.]// Сталь. 2003. №12. - С. 37-40.
   
9. 
   Совмещенное регулирование продольной и поперечной разнотолщинности полосы./ А.И. Целиков, И.М. Меерович, С.Е. Рокотян// Сталь. 1969. №12. - С. 1103-1108.
   
10. 
    Производство планшетных полос при прокатке./ Е.А. Максимов, Р.Л. Шаталов, Н.Ш. Босхамджиев - М.: Теплотехника, 2008. – 336 с.
    
11. 
    Способы горячей и холодной прокатки с высокой эффективностью управления профилем и формой полос за рубежом./ К.Н. Ткалич, В.Н. Скороходов, Е.Д. Панов, П.П. Чернов// Черная металлургия. Бюл. НТИ. 1988. № 11.- С. 11-17.
    
12. 
    Клети для эффективного управления профилем и формой полос / В.Ф. Рашников [и др.] // Производство проката. 2001. №8. - С. 34-43.
    
13. 
    Производство проката. Том 1. Книга 1. Производство холоднокатаных полос и листов (сортамент, теория, технология, оборудование)./ Э.А.Гарбер - М.: Теплотехник, 2007. – 368 с.
    
14. 
    Скорости течения металла при неравномерных условиях деформации по ширине полосы./ В.Н. Выдрин, Н.В. Судаков, Е.А. Остсемин// Известия вузов. Черная металлургия. 1979. №3. – С. 62-66.
    
15. 
    А.с. 719716 СССР, МКИ В 21 В 1/38. Способ производства листового проката / Б.П. Картушов, А.В. Курятников, И.Н. Потапов [и др].
    
16. 
    Павлов И.М. Условия получения плоской полосы при холодной прокатке тонких полос.// Изв. вузов. Черная металлургия, 1969. № 9. – С. 64-68.
    
17. 
    Патент RU 2264872 С2 B21B1/26,1/46. Горячекатаная тонкая полоса / Зигелаар Д.А., Лопез М.Э., Диксон Э.Э. - № 2002135080/02.
    
18. 
    Выдрин, В.Н. Динамика прокатных станов / В.Н. Выдрин – Свердловск: Металлургиздат, 1960. – 255 с.
    
19. 
    А.с. 874236 СССР, МКИ В 21 В 1/38. Способ прокатки листов./ А.Ф. Пименов [и др.].
    
20. 
    Получение высокоточного холоднокатаного листа для офсетной печати способом несимметричной прокатки. Сообщение 1 / А.Ф. Пименов [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. 1980. № 9. – С. 64-67.