автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Повышение стойкости и оптимизация оборотного парка валков станов холодной прокатки

На правах рукописи

о!) АЛ

Спиричев Алексей Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ОБОРОТНОГО ПАРКА ВАЛКОВ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКИ

Специальность 05.04.04 - Машины и агрегаты

металлургического производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец 2000

Работа выполнялась в Череповецком государственном университет экспериментальные исследования проводились в Производст! холоднокатаного листа ОАО «Северсталь».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор, заслуженны!

деятель науки и техники РФ Гарбер Э.А.

Научный консультант - кандидат технических наук Румянцев В.В.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Осипов Е.Б.

кандидат технических наук Салтыков Г.П.

Ведущее предприятие - ОАО "ЧСПЗ" г.Череповец

Защита диссертации состоится « 2-6 у> _ 2000 г. в

часов на заседании диссертационного совета Д 064.79.01 при Череповецкс государственном университете.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, прос1 направить по адресу:

162 600, Череповец, Советский проспект, 8, ЧТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан _2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докторл л /С технических наук, профессор, член-корр. РАЕ У *

Кабаков З.К.

кт.521ЛШ01.6-1сЩО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одной из главных эксплуатационных характеристик как рабочих, так и опорных валков станов холодной прокатки является их стойкость. Как показывает опыт эксплуатации отечественных станов холодной прокатки и анализ стойкости валков, валки отечественных заводов-изготовителей (УЗТМ, НКМЗ, ЮУМЗ) подвержены частым повреждениям бочки. Причиной тому является как несовершенство технологии изготовления валков, так и особенности их эксплуатации в цехах холодной прокатки.

Расход валков и затраты, связанные с их эксплуатацией, составляют существенную долю в себестоимости производства холоднокатаных листов. Помимо прямых затрат на приобретение валков для замены вышедших из строя, металлургические предприятия вынуждены расходовать значительные финансовые средства на их перешлифовку и вспомогательные операции, связанные с плановыми и внеплановыми перевалками и дополнительными простоями из-за повреждений поверхности валков при эксплуатации по технологическим причинам (наварам, порезам, вмятинам и др.), и по причинам контактно-усталостного характера (отколам, выкрошкам, отслоениям). Поэтому совершенствование технологии эксплуатации валков имеет большое значение для повышения конкурентоспособности металлургических предприятий.

"Повысить стойкость валков можно, усовершенствовав технологию их изготовления. Однако существуют технологии, позволяющие повысить стойкость валков в процессе их эксплуатации. Так, основной причиной преждевременного выхода из строя опорных валков является разрушение их рабочей поверхности: усталостное выкрашивание и хрупкие сколы.

Опыт применения на ряде отечественных станов холодной прокатки технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками показал, что данная технология обеспечивает повышение твердости поверхности бочки опорных валков, а также способствует снижению их склонности к выкрашиванию. Основным недостатком этого метода повышения стойкости валков является то, что режимы упрочнения подбирались эмпирически, без учета напряженного состояния поверхностного слоя валков. В связи с чем было невозможно оптимизировать усилия упрочнения и добиться максимального эффекта.

Технология механического упрочнения пластическим деформированием успешно применяется в различных отраслях машиностроения. Однако, теоретические аспекты упрочнения прокатных валков не были достаточно проработаны.

Резерв повышения стойкости и снижения расхода рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов заложен и в совершенствовании технологии их эксплуатации. Так, практика комплектации валков в пары при шлифовке характерна для многих отечественных заводов. При этом имеет место перерасход закаленного слоя валков вследствие подгонки по диаметру парного валка принудительной его сошлифовкой. Причина такой ситуации -

отсутствие научно-обоснованной методики расчета величины оборотного парка валков, исключающей их подгонку по диаметрам.

Дели работы.

Разработать теоретически обоснованную технологию поверхностного деформационного упрочнения опорных валков станов холодной прокатки на основе математического моделирования напряженного состояния валков, подвергаемых упрочнению. На основе методов теории вероятностей разработать новую методику комплектования оборотного парка рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов, исключающую перерасход закаленного слоя вследствие подгонки по диаметру при шлифовке и учитывающую оборачиваемость валков.

Методы исследований.

В работе использованы методы математического моделирования и промышленных экспериментальных исследований.

Достоверность математических моделей напряженного состояния опорных валков, подвергаемых поверхностному деформационному упрочнению, подтверждена результатами промышленных испытаний разработанных режимов упрочнения на 4-х и 5-ти клетевых станах 1700:

• сравнением величин съемов закаленного слоя при плановых перешлифовках упрочненных и неупрочненных опорных валков;

• сопоставлением частоты появления дефекта «выкрошка»;

• сопоставлением средней стойкости упрочненных и неупрочненных валков;

• величиной использования закаленного слоя валками.

Для оценки эффективности поверхностного деформационного упрочнения валков применяли методику определения поверхностной твердости при помощи склероскопа Шора (шкала Б).

Достоверность разработанной математической модели комплектования оборотного парка рабочих валков станов холодной прокатки подтверждена результатами промышленных испытаний новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на дрессировочном стане .

Научная новизна.

1. Впервые разработана на основе методов теории вероятностей математическая модель комплектования оборотного парка валков станов холодной прокатки, позволяющая определять оптимальное количество валков в оборотном парке с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости.

2. На основе созданной модели выполнен расчет распределения диаметров рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов, позволивший подтвердить соответствие фактического распределения диаметров валков нормальному закону; рассчитана вероятность комплектации парных валков для дрессировочных и непрерывных станов, позволившая определить для каждого стана величину оборотного парка валков.

3. Впервые разработаны математические модели напряженного состояния опорных валков стана холодной прокатки, подвергнутых поверхностному

деформационному упрочнению методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками.

4. На основе созданных моделей напряженного состояния установлены распределение и величина остаточных напряжений, возникающих в опорном валке в результате упрочнения, распределение и величина суммарных напряжений, возникших при наложении остаточных на контактные, позволившие определить степень упрочнения и изменение запаса усталостной прочности материала поверхностного слоя опорных валков, а также сделать выводы об оптимальных, с точки зрения теорий упругости и пластичности, режимах упрочения валков.

5. Получена статистически достоверная эмпирическая зависимость стойкости рабочих валков от величины съема при перешлифовках после наваров. Установлено, что съем закаленного слоя на глубину 0,6 мм вместо 0,3-0,5 позволяет полностью устранить вредные последствия навара и повысить стойкость валков в 2-3 раза.

6. Разработана и реализована признанная изобретением технология поверхностного деформационного упрочнения опорных валков, учитывающая при выборе режимов упрочнения глубину наклепа, предел текучести материала валка после упрочнения и исходную твердость опорных валков.

Практическая ценность.

1. Получены и экспериментально подтверждены выражения для определения оптимального количества валков в оборотном парке станов холодной прокатки.

2. На основе анализа полученных в результате моделирования теоретических зависимостей выявлено влияние усилий обкатки на степень упрочнения и изменение запасов усталостной прочности, а также влияние исходной твердости валков на выбор усилия упрочнения, что позволило предложить оптимальные режимы упрочнения опорных валков непрерывных станов.

3. Созданная на уровне изобретения технология упрочнения опорных валков апробирована в условиях действующего производства холоднокатаного листа на непрерывных станах холодной прокатки.

4. Экспериментальным путем доказана эффективность разработанной технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков; обеспечены повышение общей стойкости и использование рабочего слоя валков, снижение частоты дефекта «выкрошка» по сравнению с валками, не подвергавшимися упрочнению.

Реализация работы.

Результаты работы реализованы в следующих видах:

1. Внедрение на дрессировочном станс № 2 ПХЛ ОАО «Северсталь» в 1999 году измененных условий подготовки рабочих валков к эксплуатации, исключающих их повышенный расход из-за подгонки по диаметру.

2. Внедрение в 1999 году на 5-ти клетевом стане 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь» технологии поверхностного деформационного упрочнения

опорных валков (изменение № 4 от 17.03.99 к технологической инструкции ТИ 105-ПХЛ-16-96).

Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на Первой областной межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука — региону», Вологда, май 2000 г., и на Международной научно-технической конференции «Павловские чтения», Москва, октябрь 2000г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, получен 1 патент на изобретение.

Объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 60 наименований, приложения. Объем диссертации составляет 113 страниц машинописного текста, 16 рисунков, 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы: разработать теоретически обоснованную технологию поверхностного деформационного упрочнения опорных валков станов холодной прокатки на основе математического моделирования напряженного состояния валков, подвергаемых упрочнению; на основе методов теории вероятностей разработать новую методику комплектования оборотного парка рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов, исключающую перерасход закаленного слоя вследствие подгонки по диаметру при шлифовке и учитывающую оборачиваемость валков.

В первой главе выполнен литературный и патентный обзор известных способов повышения стойкости рабочих и опорных валков станов холодной прокатки в процессе эксплуатации.

Установлены достоинства разработанной технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков по сравнению с другими известными способами повышения их эксплуатационной стойкости: направленная подача в зоны контакта вращающихся валков смазочно-охлаждающей жидкости более эффективно, чем в прототипах, обеспечивает режим жидкостного трения между валками при их обкатке; при совместном вращении под нагрузкой струя СОЖ бьет непосредственно в зону силового контакта валков, а поверхности валков, двигаясь в направлении струи, способствуют ее захвату и попаданию СОЖ в зону контакта валков. Режим жидкостного трения гораздо более эффективен в этом случае, чем при неорганизованной подаче СОЖ. Направленная подача СОЖ препятствует также нежелательному разогреву валков, отрицательно влияющему на процесс наклепа и упрочнения.

В результате анализа условий эксплуатации и стойкости валков получена статистически достоверная эмпирическая зависимость стойкости рабочих валков от величины съема при перешлифовках после навара.

Установлено, что регулярно проводимый анализ причин перевалок, перешлифовок валков и расхода их закаленного слоя наряду с анализом причин списания способствует совершенствованию технологии эксплуатации валков и позволяет разработать эффективные мероприятия по увеличению их стойкости и сокращению расхода.

Сформулированы следующие задачи для дальнейших исследований:

• анализ оборотного парка рабочих валков и разработка методов его оптимизации на непрерывных и дрессировочных станах;

• анализ напряженного состояния опорных валков, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению, который может быть выполнен путем математического моделирования процесса упрочнения валка.

Во второй главе изложены недостатки существующей на большинстве металлургических мероприятий системы комплектации оборотного парка валков непрерывных и дрессировочных станов.

Разработана на основе методов теории вероятностей математическая модель, позволяющая определять оптимальное количество валков в оборотном парке станов холодной прокатки с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости.

Основные положения модели состоят в следующем.

При известном законе Уо(-О) распределения диаметров бочки

отшлифованных валков в заданном диапазоне (От]п — Отах), необходимо

определить вероятность того, что из " /7Ш," отшлифованных валков,

оказавшихся на стеллаже перед станом, для каждой рабочей клети найдется, как минимум, одна пара валков, удовлетворяющая условию:

О)

где Д, и Ин - диаметры бочки верхнего и нижнего валков, соответственно;

£ - предельно допустимая разность их диаметров, установленная технологической инструкцией.

Первый этап решения задачи состоит в определении фактического закона распределения диаметров валков в указанном диапазоне - вида функции распределения /0 {р).

Относительное число диаметров в /-ом интервале определяется по формуле

т,

Р!фак=— (2)

т

8

где Ш-1 - абсолютное, т = ^ - общее число диаметров. Это относительное

1=1

число представляет собой, по существу, вероятность попадания диаметра в / -й

интервал, основанную на фактических данных цеха (для краткости -фактическая вероятность).

Основываясь на данных о фактических вероятностях попадания диаметров в выбранные интервалы, можно установить закон распределения диаметров в диапазоне [.От|п — /)тзх ], т.е. математическое выражение функций

распределения /0{р).

На первом этапе решения данной задачи проверяется соответствие фактического распределения диаметров нормальному закону.

Для этого по первичным фактическим данным об тп диаметрах перешлифованных валков вычисляются основные параметры, характеризующие распределение, а именно: среднее значение диаметра

1 т

(3)

т у-1

и среднеквадратичное отклонение (характеристику рассеяния) диаметров:

У 772 — 1 у=|

Затем, принимая в качестве гипотезы подчинение распределения диаметров нормальному закону и используя стандартные компьютерные программы нормального закона распределения (или справочные таблицы), по найденным значениям Иср и <7 определяют расчетные вероятности р( для

каждого интервала (рис 1).

Проверка справедливости принятой гипотезы о нормальном законе

2

распределения осуществляется по критерию Пирсона % :

2 V"! (т, - тр ,.)2 X -(5)

где /- количество интервалов (в рассматриваемой задаче / =8); т; • фактическое количество диаметров, попавших в г -й интервал.

Задавшись уровнем значимости ОС и определив количество степеней

свободы

/ = 1-3 (6)

по справочным таблицам квантилей распределения Пирсона находят стандартное табличное значение Х\-а ■ 2 2

Если X — Х\~а > то гипотеза о нормальном законе распределения считается подтвержденной. В черной металлургии для статистических расчетов принимают уровень значимости (X — 0,05 .

Второй этап решения задачи состоит в непосредственном расчете

0,3 Р

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

470 502

Ор, мм

Рфактическая вероятность □расчетная вероятность

Рис. 1 Гистограммы фактического и расчетного распределений диаметров рабочих валков дрессировочного стана № 2 по интервалам Б = 4 мм в диапазоне 470-502 мм

0

величины оборотного парка валков, гарантирующей выполнение условия (1). Метод решения этой задачи - имитационное моделирование. Используя известную методику теории вероятностей, задав достаточно большое число вычислительных экспериментов к (например, к = 50000), выполняется моделирование:

• последовательно задается увеличивающееся количество отшлифованных валков на стеллаже пп начиная с п{ =2, с шагом, равным 1, т.е.

п1 = 2;3;4;5 и т.д.;

• каждое значение вводится в подпрограмму "Генератор", которая выдает " к " случайных комбинаций из я. диаметров: £>,; £> 2 ;... П ы ;

• каждая комбинация из П) диаметров проверяется на выполнение условия (1); если хотя бы для одной пары диаметров ( И -; £) ) в этой комбинации

условие (1) выполнено, т.е. — < £ (2 < у < 2 < ^ < ), то

результат вычислительного эксперимента для данной комбинации диаметров считается положительным. В этом случае предусмотренный в программе расчета счетчик числа положительных экспериментов увеличивается на единицу

= + 1; (7)

• перебрав к случайных комбинаций диаметров, выданных подпрограммой "Генератор", определяется суммарное число положительных экспериментов 8куш1 для заданного числа отшлифованных валков п1,

находящихся на стеллаже перед станом.

Вероятность выполнения условия (1) для случая, когда на стеллаже

имеется п. рабочих валков, равна:

р („ ) = .£&-. (8)

к

Три последних рассмотренных операции повторяются последовательно для каждого очередного значения л., увеличивающегося на 1, до тех пор, пока значение вероятности не достигнет значения:

РД«;)>0,95, (9)

практически гарантирующего выполнение условия (1). Значение пп удовлетворяющее неравенству, является тем количеством отшлифованных рабочих валков на стеллаже перед станом пш, которое необходимо для их комплектации в пары без подгонки по диаметру (см. рис. 2).

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

г \ /

/ У ^ \ # * « . - •

» #

. ш 1 /

/ # / 1 #

3 4 5 6 7 8 9 Число отшлифованных валков перед станом, шт.

10

0

Рис.2 Вероятность комплектации пары рабочих валков дрессировочного стана № 2 без подгонки по диаметру в функции числа отшлифованных валков (для одного варианта профилировок):

1 - при Е = 2 мм;

2 - при Е = 5 мм

Полный оборотный парк валков составит:

^ = "ш + . (10

где п^ - количество отшлифованных валков на стеллаже перед стан о IV

гарантирующее (с вероятностью не менее 95%) комплектование для каждо; рабочей клети пары валков без подгонки по диаметру;

п -0 - запас рабочих валков с учетом оборачиваемости (времени

необходимого на перевалки, сборки, разборки, транспортировки, выдержк перед шлифовкой для полного остывания, предварительный подогрев пере, прокаткой).

Величина п^ определяется по формуле:

"шл = »и» Л -ке.п. (П

где п^ л - количество отшлифованных валков на стеллаже перед стан о г

для одного варианта их профилировок, гарантирующее комплектацию в парь без подгонки по диаметру;

кеп - количество вариантов профилировок валков, используемых да

прокатки всех групп сортамента на стане.

Величина П3 0 определяется по формуле:

И«. (12) где: - количество валков, находящихся в рабочих клетях;

п2 - количество отшлифованных и собранных с подушками валков находящихся на технологическом подогреве перед прокаткой;

«з - количество отшлифованных и собранных с подушками валков находящихся на перевалочных тележках перед станом;

пА - количество валков, вываленных из стана и находящихся перед вальцешлифовальным станком на технологической выдержке до полной остывания;

п5 - количество временно "омертвленных" валков, требующих более

длительной выдержки и шлифовки для устранения наваров, приварог подшипников к шейкам и других подобных дефектов;

п6 - количество валков, используемых как запас на вреш

транспортировки между станом и вальцешлифовальной мастерской.

В результате моделирования установлено, что переход на новук методику расчета величин оборотного парка валков позволит, исключив подгонку валков по диаметру, уменьшить парк валков на дрессировочных станах — на 3-31%, на непрерывных при использовании универсальной профилировки - на 4-12%, а в перспективе (в случае применения валков, изготовленных центробежным литьем) - на 22-24%. Результаты расчета по

модели необходимого оборотного парка рабочих валков дрессировочных и непрерывных станов представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Необходимый оборотный парк рабочих валков дрессировочных станов ПХЛ ОАО «Северсталь», рассчитанный по разработанной модели

Наименование Обозна чение Дрессировочный стан

№ 1 №2

Число отшлифованных валков для каждого варианта профилировок Пш1 4 6

Число вариантов профилировок К». 2 2

Общее число отшлифованных валков пии, 8 12

Запас валков с учетом оборачиваемости И«. 16 20

Расчетный оборотный парк N 24 32

Нормативный оборотный парк, согласно расчету по «Методическим указаниям» Минчермета СССР (1978 г.) N норм 35 33

Таблица 2.

Необходимый оборотный парк рабочих валков непрерывных станов ПХЛ ОАО «Северсталь» , рассчитанный по разработанной модели

Наименование Обозна чение 5-ти клете вой 4-х клете вой

Количество отшлифованных валков (с универсальной профилировкой) "шл 62 46

То же - в перспективе (после перехода на валки, изготовленные по новой технологии центробежного литья) п "¿"(ту*-/!) 30 24

Запас валков с учетом оборачиваемости «3.0. 70 56

Расчетный оборотный парк валков с универсальной профилировкой N 132 102

То же - в перспективе N персп 100 80

Нормативный оборотный парк, согласно «Методическим указаниям» Минчермета СССР N норм 137 116

В третьей главе разработаны математические модели напряженного состояния опорных валков стана холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению методом обкатки.

Приближенная модель, основанная на теории упрочнения деталей машин в общем машиностроении, включает расчет остаточных напряжений от обкатки и суммарных напряжений, возникших в результате совместного действия остаточных и контактных напряжений во время обкатки.

' Модель позволяет определить степень упрочнения и изменение запаса усталостной прочности материала поверхностного слоя опорных валков в функции режима обкатки.

В качестве исходных уравнений для расчета остаточных напряжений поверхностного слоя опорных валков используются следующие выражения, применяемые при разработке режимов поверхностного упрочнения деталей машин в ряде отраслей машиностроения.

В области пластической деформации (Я — < р < Я): радиальные напряжения:

Я-р-{Я-^)- 1п- , (13)

Р.

осевые напряжения: • сг

=■

3 2

ЗИ'

2 ^ -7

у

(14)

тангенциальные напряжения:

К

2{Я-р)-к5-{Я-к3)Лп

Я

(15)

В области упругой деформации (0 < р < Я — ) радиальные и тангенциальные напряжения:

ах = стг =

ъ.

к

А,п

Я

Я-}г.

(16)

осевые напряжения:

сг, . Я Я-К /, +---

21п----¥— + 1

Я-К

ЗЯл

где а5 - предел текучести материала валка после упрочнения, МПа;

¡1,. - глубина наклепанного слоя валка, м;

Я - радиус бочки опорного валка, м; р - произвольный радиус, м.

Зависимости (13)...(15) не учитывают температурную составляющую остаточных напряжений, возникающую при охлаждении разогретого в результате пластической деформации поверхностного слоя валка. Подобный подход обусловлен тем, что технология обкатки предусматривает интенсивную подачу смазочно-охлаждающей жидкости (эмульсии) в зону контакта опорного ' и рабочего валков. Эквивалентные остаточные напряжения определяли согласно теории максимальных касательных напряжений:

_ост _ост _ост ,,„,

аэкв. =0Гшах -0\пт ' О8)

где - максимальное из напряжений о~г, <г., сгТ ;

_ост _ _ _

СГт]п - минимальное из напряжении сгг, <У2, <7Т .

Контактные напряжения определяли с использованием теории Герца-Беляева, а эквивалентные контактные напряжения - с помощью выражения (18).

Наибольший интерес представляет напряженное состояние упрочненного опорного валка, возникающее в результате наложения на остаточные напряжения контактных напряжений. При анализе этого вопроса учитывали, что контактные напряжения изменяются по пульсирующему циклу.

При совместном действии контактных и остаточных напряжений, суммарные напряжения будут изменяться по асимметричному циклу, предел выносливости для которого определяли по формуле:

°тупр=°т +°апр. 09)

-Е* Е ос

где <УМ - среднее напряжение цикла, от = О0^ Ч—;

<Уапр - предельная амплитуда (наибольшее значение амплитуды, которое при заданном еще не вызывает разрушения);

о~*кд - эквивалентное контактное напряжение.

Величину предельной амплитуды при асимметричном цикле нагружения определяли по следующей формуле:

где Ч* - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла,

=-'-- , (21)

Критерием эффективности поверхностного упрочнения может служить коэффициент упрочнения:

4*,=—. (22)

г

где Ог - предел выносливости материала валка до упрочнения, найденный по

формуле, аналогичной (19), с подстановкой величин сгапр и СТт для

пульсирующего цикла контактных напряжений, МПа.

Оценить эффективность упрочнения материала валка можно также, проследив динамику изменения величины коэффициента запаса прочности валка до обкатки и после нее.

Коэффициент запаса прочности определяли по следующей формуле:

па= -^- , (23)

Ату • к0

где <УГ - предел выносливости материала валка соответственно до и после упрочнения, МПа;

Оа - амплитуда цикла, СГа = —, МПа;

Ч/а - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла;

Ст - среднее напряжение цикла, соответственно до и после обкатки, МПа;

ка, к к0 - коэффициенты, учитывающие влияние концентрации

напряжений, абсолютных размеров поперечного сечения, поверхностного упрочнения.

Разработанная приближенная модель позволила выполнить анализ напряженного состояния опорного валка стана 1700 холодной прокатки диаметром 1500 мм: предел выносливости материала валка (сталь 90ХФ) после упрочнения обкаткой на его поверхности возрастает в 2,3 раза, в наиболее опасной части сечения - на глубине 3-4 мм - в 2,19 раза. Характер распределения значений коэффициента упрочнения Д,,нр по сечению валка показан на рис. 3.

Прирост в результате обкатки коэффициента запаса усталостной прочности па составил: на поверхности - 10%, а в зоне действия максимальных эквивалентных контактных напряжений - 18% (рис. 4)

2,15

01 23456789 10 11 12 расстояние от поверхности валка, мм

Рис.3 Распределение значений коэффициента упрочнения по сечению опорного валка.

и

в

2,8 2,7 2,6 2,5

» 2'4

н о о

® 2,3

0 &

1 2,2

с га со

Ё 2,1 и

я я к

2

-Э<

Г)

о «

1,9

1.8 1.7 1.6

\

\

\

\

\

—

1 23456789 10 11 расстояние от поверхности валка, мм

Рис.4 Распределение значений коэффициента запаса усталостной прочности по сечению опорного валка

1 - до упрочнения;

2 - после упрочнения.

Разработана усовершенствованная математическая модель напряженного состояния опорных валков стана холодной прокатки, подвергнутых поверхностному упрочнению, учитывающая:

• основные положения теорий упругости и пластичности;

• глубину наклепа при расчетах остаточных напряжений;

• предел текучести материала валка после упрочнения;

• исходную твердость опорных валков.

Моделирование напряженного состояния поверхностного слоя опорного валка выполняется в соответствии со схемой на рис. 5. на основе допущения о плоской деформации.

Для описания напряженного состояния валка используются дифференциальные уравнения равновесия в цилиндрических координатах: С Эст„ , дтй Эг ст -сгп

_Р_4_Л__2Е.а__Р2 | Р 0 — л.

ф Р 39 Зг Р '

^ро , 1 , ^У- , 2%0 _0.

Эр Р 39 & Р ' (24)

<

dp Р 5Q dz Р

V

где р, 9 и z - радиус-вектор, угол поворота, координата по оси вращения валка;

ср _ сто, ctz— радиальные, тангенциальные и осевые компоненты нормальных напряжений;

tpe. Tpz, Tez, - соответствующие касательные напряжения.

При упрочнении валок нагружают силами, равномерно распределенными вдоль оси z и перпендикулярными к этой оси. В случае плоской деформации размеры валка в направлении оси z не имеют значения, поэтому уравнения равновесия принимают вид: Зет , Зг~ G -ün

_р. + 1_р® + __£_

др +Р 39 + Р и'

(25)

1 ^е , ^рО , 2"тРЭ _п Р 99 Эр Р

В случае обкатки валков компоненты напряжений не зависят от угла О, касательное напряжение ipo = 0. Поэтому для осесимметричной задачи система (25) принимает вид:

Поскольку уравнение (26) содержит два неизвестных, для его решения необходимо второе выражение, связывающее сгр и erg. Принимаем в качестве такого выражения уравнение совместности, полученное из условия неразрывности деформации:

V2(ap+aeb0 (27)

Рис.

5 Схема к расчету напряженного состояния

dp1

- оператор Лапласа второго порядка.

Р 562 РФ

Для решения системы (26), (27) введем функцию напряжений ср, удовлетворяющую условиям: - 1 Э(Р , 1 д2Ф-

<

ч.

Р Ф р2 502 '

а2ф

Эр*'

ст0 =

- -¿-пап.

(28)

через которую уравнение совместности (27) для осссимметричной задачи можно записать в виде:

d4 ф

2 d\ 1

d2q> 1 +—

dtp

= 0

(29)

dpц Р dpi р' dp¿^ р* ¿р

Уравнение (29) - линейное однородное дифференциальное уравнение четвертого порядка типа Эйлера, общим решением которого является выражение:

Ф = А-1пр+В-1пр-р+С-р +D;

(30)

где А, В,С, D - константы, определяемые из граничных условий задачи. При определении остаточных напряжений в опорном валке принимаем следующие граничные условия:

1. На поверхности валка внешнее давление отсутствует

gp=0 , p = R (31)

где R — радиус бочки валка;

2. На поверхности валка выполняется приближенное условие пластичности:

ор - aa=vK (32)

или, с учетом (31):

cj9 = - vK, р = R, (33)

где v = ± 1;

о

К as ' «вынужденный» предел текучести при плоской деформации;

as- предел текучести материала валка после упрочнения.

3. На глубине hs от поверхности валка (hs - глубина наклепанного в результате обкатки поверхностного слоя валка) выполняется условие, соответствующее упругой деформации:

ар - ст9=0; p = R-hs

(34)

Это условие выполняется и при 0 < р < R - Ь5

Выражения для определения стр_ ст0, сг2 с учетом (30) принимают вид:

<

стр=-^ + В-{1 + 2Ыр)+2С ав=-ф + В-(3 + 21пр)+2С

В окончательном виде выражения (35) при К - Ь5 < р < И. принимают

вид:

Г(Л-А,)2 „т пт п {К-К)2

К'

\jR-h ^

v

К )

ст.

л/3

1-

Я

ч /

(36)

(37)

{{я-КУ

я

я

+ 2(1пЛ-1пр)-1

(38)

В области 0 < р < II -формулы для выражений примут вид:

г > Л2 ^

+ -1-21п(Л-Лж)

Ч * У

4ъ

1-

к )

Л

/ Г Д-О 2 \

1-

V 1 Л J У

(39)

\

Расчет контактных, суммарных напряжений, коэффициентов упрочнения и запаса усталостной прочности выполнялся аналогично такому расчету в приближенной модели.

С использованием разработанной усовершенствованной модели были проведены исследования режимов упрочнения опорных валков 5-ти клетевого стана 1700 холодной прокатки с разной исходной твердостью поверхности бочки.

Оптимизацию усилия обкатки осуществляли по изменению коэффициента запаса прочности материала валка. При этом было установлено, что для эффективного упрочнения валка усилие обкатки следует выбирать в зависимости от исходной твердости (рис. 6). Так, при упрочнении валков с низкой твердостью (< 60 НБЬ) усилие обкатки обязательно должно превышать рабочие усилия при прокатке. Значение коэффициента прочности па в

наиболее опасном сечении валка (в зоне действия максимальных эквивалентных суммарных напряжений) для опорного валка с твердостью поверхности бочки 60 НБЬ максимально при среднем усилии прокатки 8 МН и составляет 1,84 (см. рис. 6).

Обкатка с усилием меньшим либо равным усилию прокатки, неэффективна. Рациональная величина коэффициента запаса прочности достигается, когда усилие обкатки при упрочнении превышает рабочее усилие при прокатке на 15 - 30% (Па увеличивается на 8 - 11% соответственно).

Рабочие усилия на стане в среднем составляют 11 — 12 МН, поэтому усилие обкатки, равное 15 МН, можно считать оптимальным для получения наибольшего эффекта при упрочнении опорных валков с исходной твердостью 60 НБЬ.

При упрочнении опорного валка с исходной твердостью 70 НБЬ с усилием обкатки, меньшим, чем рабочие усилия при прокатке на 15 - 20%, коэффициент запаса прочности увеличивается на 4 - 5% .

Обкатка с усилием, равным усилию прокатки, дает увеличение па на

9%, что уже достаточно существенно.

Тем не менее, упрочнение обкаткой можно считать достаточно эффективным, только если коэффициент запаса прочности по сравнению с необкатанным валком увеличивается не меньше, чем на 10-20%, так как возможные при прокатке колебания рабочих усилий в диапазоне 10% при меньшем коэффициенте запаса прочности сведут эффект упрочнения к несущественной величине.

Как видно из графика, коэффициент запаса прочности необкатанных валков составляет ~ 1,82, т.е. после обкатки он должен повыситься до 1,82(1,1^1,2) = 2,0^2,18.

С другой стороны, если для менее твердых валков (твердость < 65 НБЬ) усилие обкатки будет Робк > 0>35-н1,4)Р,|р, оно может попасть в область предельных нагрузок для материала валка, что чревато опасностью их

Робк/Рпр

Рис. 6 Зависимости коэффициента усталостной прочности валков разной твердости от усилия обкатки

1 - неупрочненные валки твердостью бОНБЬ и 70Н8Ь;

2 - упрочненные валки твердостью бОНБЬ;

3 - упрочненные валки твердостью 70ШИ.

выкрашивания, чему будет способствовать повышение хрупкости поверхностного слоя из-за наклепа.

Отсюда, как видно из графика (кривая 2), диапазон наивыгодных усилий обкатки для таких валков P0r,K = (l,2-rl,35)Pnp.

Для более твердых валков (твердость > 65 HSh), как видно из графика (кривая 3), эффект обкатки проявляется уже при Робк min = 1,01 Рпр. Но более твердые валки - одновременно и более хрупкие, поэтому во избежание выкрашивания целесообразно ограничить Ройк шах величиной 1,1 Рлр. Отсюда Р0бк = (1,01-3-1,1)Рпр.

Например, рабочие усилия прокатки в 5-й клети стана, куда, как правило, устанавливают валки более высокой твердости, меньше, чем в других клетях стана. Т.е. опорные валки более высокой твердости (>65HSh) более склонны к выкрашиванию, чем валки более низкой твердости (<65HSh), целесообразно упрочнять с меньшими усилиями.

С использованием разработанных математических моделей напряженного состояния установлены режимы поверхностного деформационного упрочнения опорных валков непрерывных станов холодной прокатки, признанные изобретениями [10, 11].

Согласно одному из них, эффективное упрочнение достигается тем, что в зоны контакта рабочих валков эмульсия подается с входной стороны клети, а в зоны контакта рабочих и опорных — с выходной стороны [10]. Достижение оптимального прироста коэффициента запаса усталостной прочности материала упрочняемого валка обеспечивается выбором усилия обкатки с учетом исходной твердости валка [11].

В четвертой главе результатами промышленных испытаний разработанных режимов упрочнения на 4-х и 5-ти клетевых станах 1700 ГГХЛ ОАО «Северсталь» и новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на дрессировочном стане № 2 ПХЛ ОАО «Северсталь» подтверждена достоверность разработанных математических моделей напряженного состояния и модели комплектования оборотного парка валков.

Выполнен расчет экономической эффективности предложенных в диссертационной работе мероприятий по повышению стойкости и снижению расхода рабочих и опорных валков станов холодной прокатки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты проведенной работы заключаются в следующем: 1. Установлено, что регулярно проводимый анализ причин перевалок, перешлифовок валков и расхода их закаленного слоя наряду с анализом причин списания способствует совершенствованию технологии эксплуатации валков и позволяет разработать эффективные мероприятия по увеличению их стойкости и сокращению расхода.

В результате такого анализа получена статистически достоверная зависимость стойкости рабочих валков от величины съема закаленного слоя после наваров. Установлено, что съем закаленного слоя на глубину 0,6

мм вместо 0,3-0,5 позволяет полностью устранить вредные последствия

навара. Стойкость валков при этом возрастает в 2-3 раза.

Анализ условий эксплуатации показал возможность снижения расхода

рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов за счет изменения

существующей методики комплектования оборотного парка валков этих

станов.

2. Разработана на основе методов теории вероятностей математическая модель комплектования оборотного парка валков станов холодной прокатки, позволяющая определять оптимальное количество валков в оборотном парке с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости.

В результате моделирования установлено, что переход на новую методику расчета величины оборотного парка позволит, исключив подгонку по диаметру, уменьшить парк рабочих валков на дрессировочных станах - на 3-к31%, на непрерывных при использовании универсальной профилировки — на 4-=-12% , а в перспективе (в случае применения валков, изготовленных центробежным литьем) — на 22н-24%.

3. Достоверность разработанной математической модели подтверждена результатами промышленных испытаний новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на дрессировочном стане № 2 ПХЛ ОАО «Северсталь»:

• исключена подгонка по диаметру;

• комплектация в пары осуществляется из числа уже отшлифованных валков;

• сокращение оборотного парка рабочих валков не вызывает увеличения расхода их закаленного слоя.

4. Разработаны математические модели напряженного состояния опорных валков стана холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками.

Модели позволяют определять степень упрочнения и изменение запаса усталостной прочности материала поверхностного слоя опорных валков в функции режима упрочнения с учетом:

• основных положений теорий упругости и пластичности;

• глубины наклепа при расчетах остаточных напряжений;

• предела текучести материала валка после упрочнения;

• исходной твердости опорных валков.

5. С использованием математических моделей напряженного состояния разработаны на уровне изобретений режимы поверхностного и деформационного упрочнения опорных валков непрерывных станов холодной прокатки.

6. Достоверность математических моделей напряженного состояния подтверждена результатами промышленных испытаний разработанных

режимов упрочнения на 4-х и 5-ти клетевых станах 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь»:

• средний съем закаленного слоя при плановых перешлифовках в результате применения упрочнения снизился на 32%;

• частота появления дефекта «выкрошка» снизилась почти в 2 раза, а доля плановых перешлифовок увеличилась более чем на 40%;

• средняя стойкость опорных валков увеличилась на 40%;

• использование рабочего слоя валками возросло на 28%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Спиричев A.B., Румянцев В.В. Моделирование напряженного состояния в поверхностном слое опорных валков, подвергнутых деформационному упрочнению // Доклады, представленные на Первую областную межвузовскую научно-практическую конференцию «Вузовская наука -региону» 25-26 мая 2000. ВоГТУ. Вологда. 2000. с. 118-121.

2. Ефименко С.П., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. и др. Повышение стойкости опорных валков стана холодной прокатки методом поверхностного деформационного упрочнения // Бюллетень ЧерМетИнформация. выпуск 11-12. 1998. с.55-58

3. Гарбер Э.А., Ефименко С.П., Спиричев A.B. Повышение стойкости валков холодной прокатки путем совершенствования их эксплуатации // Бюллетень ЧерМетИнформация. Выпуск 3-4. 1999. с.53-55

4. Ефименко С.П., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. и др. Поверхностное деформационное упрочнение опорных валков на 5-ти клетевом стане 1700//Производство проката. 1999. №8. с. 12-15.

5. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Спиричев A.B. и др. Новая методика расчета оборотного парка валков в цехах холодной прокатки // Производство проката. 2000. № 1. с. 36-43.

6. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. Определение предела текучести поверхности слоя валков по твердости их поверхности // Производство проката. 2000. № 9. с.

7. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. Напряженное состояние опорных валков стана холодной прокатки, упрочняемых обкаткой в рабочей клети // Производство проката. 2000. № с

8. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Спиричев A.B. и др. Основы расчета оптимального оборотного парка и рационального маршрута валков в цехах холодной прокатки // Труды третьего конгресса прокатчиков (Липецк, 1922 октября 1999). Москва. 2000.

9. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B., Ефименко С.П., Трайно А.И. Моделирование напряженного состояния состояния опорных валков станов холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению // Доклады, представленные на Международную научно-техническую конференцию «Павловские чтения», 24-25 октября 2000. МИСиС. Москва, 2000.

//

10. Патент 2131311 РФ, МКИ В21В 28/02. Способ подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети кварто/Луканин Ю.В., Ефименко С.П.,Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. Опубл. 10.06.99. Бюл.16.

11. Гарбер Э.А., Спиричев A.B., Румянцев В.В. и др. Способ подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети кварто. Заявка на выдачу патента РФ №2000125412 от 13.10.2000.

Введение.

1. Состояние вопроса со стойкостью валков в цехах холодной прокатки и режимами их эксплуатации.

1.1. Литературный и патентный обзор методов повышения стойкости и совершенствования режимов эксплуатации валков.

1.2. Исследования условий эксплуатации и стойкости валков в действующем производстве холоднокатаного листа.

Выводы по главе 1.

2. Анализ оборотного парка рабочих валков и разработка методов его оптимизации на непрерывных и дрессировочных станах.

2.1. Структура оборотного парка рабочих валков, существующие методы его комплектации и их связь с режимами эксплуатации валков.

2.2. Разработка новой математической модели комплектования оборотного парка валков на основе методов теории вероятностей.

2.3. Исследование распределения диаметров и маршрутов рабочих валков в процессе их эксплуатации на дрессировочных и непрерывных станах.

2.4. Расчет оптимального оборотного парка валков для одноклетевых дрессировочных станов.

2.5. Расчет оптимального оборотного парка валков для непрерывных станов холодной прокатки.

Выводы по главе 2.

3. Теория и технология поверхностного деформационного упрочнения опорных валков в процессе их эксплуатации на непрерывных станах.

3.1. Анализ напряженного состояния опорных валков, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению, на основе приближенной математической модели.

3.2. Разработка и апробация уточненной математической модели напряженного состояния опорных валков, подвергаемых поверхностному упрочнению.

3.3. Разработка и исследование технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков на 4-х и 5ти клетевых станах 1700.

Выводы по главе 3.

4. Промышленные испытания и внедрение усовершенствованных режимов эксплуатации валков.

4.1. Испытания и внедрение технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков на 5ти клетевом стане холодной прокатки.

4.2. Испытания и внедрение оптимального оборотного парка рабочих валков на одноклетевом дрессировочном стане.

4.3. Экономическая эффективность совершенствования режимов эксплуатации валков.

Выводы по главе 4.

Одной из главных эксплуатационных характеристик как рабочих, так и опорных валков станов холодной прокатки является их стойкость. Как показывает опыт эксплуатации отечественных станов холодной прокатки и анализ стойкости валков, валки отечественных заводов-изготовителей (УЗТМ, НКМЗ, ЮУМЗ) подвержены частым повреждениям бочки. Причиной тому является как несовершенство технологии изготовления валков, так и особенности их эксплуатации в цехах холодной прокатки [42, 43].

Расход валков и затраты, связанные с их эксплуатацией, составляют существенную долю в себестоимости производства холоднокатаных листов. Помимо прямых затрат на приобретение валков для замены вышедших из строя, металлургические предприятия вынуждены расходовать значительные финансовые средства на их перешлифовку и вспомогательные операции, связанные с плановыми и внеплановыми перевалками и дополнительными простоями из-за повреждений поверхности валков при эксплуатации по технологическим причинам (наварам, порезам, вмятинам и др.), и по причинам контактно-усталостного характера (отколам, выкрошкам, отслоениям). Поэтому совершенствование технологии эксплуатации валков имеет большое значение для повышения конкурентоспособности металлургических предприятий.

Повысить стойкость валков можно, усовершенствовав технологию их изготовления [49, 51]. Однако существуют технологии, позволяющие повысить стойкость валков в процессе их эксплуатации. Так, основной причиной преждевременного выхода из строя опорных валков является разрушение их рабочей поверхности: усталостное выкрашивание и хрупкие сколы. Опыт применения на ряде отечественных станов холодной прокатки технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками [14, 15, 16, 37] показал, что данная технология обеспечивает повышение твердости поверхности бочки опорных валков, а также способствует снижению их склонности к выкрашиванию. Основным недостатком этого метода повышения стойкости валков является то, что режимы упрочнения подбирались эмпирически, без учета напряженного состояния поверхностного слоя валков. В связи с чем было невозможно оптимизировать усилия упрочнения и добиться максимального эффекта.

Технология механического упрочнения пластическим деформированием успешно применяется в различных отраслях машиностроения [21, 22, 23, 24]. Однако, теоретические аспекты упрочнения прокатных валков не были достаточно проработаны. Поэтому одной из целей диссертационной работы являлась разработка теоретически обоснованной технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков станов холодной прокатки путем создания математической модели напряженного состояния валков, подвергаемых упрочнению.

Резерв повышения стойкости и снижения расхода рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов заложен и в совершенствовании технологии их эксплуатации. Так, практика комплектации валков в пары при шлифовке характерна для многих отечественных заводов. При этом имеет место перерасход закаленного слоя валков вследствие подгонки по диаметру парного валка принудительной его сошлифовкой. Причина такой ситуации -отсутствие научно-обоснованной методики расчета величины оборотного парка валков, исключающей их подгонку по диаметрам. Поэтому в диссертационной работе была поставлена задача разработать на основе методов теории вероятностей новую методику комплектования оборотного парка рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов, исключающую перерасход закаленного слоя валков по вышеперечисленным причинам.

Все исследования и разработки по теме диссертации проводились по двум основным направлениям, в рамках которых были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретические исследования: разработка математической модели комплектования оборотного парка рабочих валков станов холодной прокатки; определено оптимальное количество валков в оборотном парке станов с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости; математическое моделирование напряженного состояния опорных валков, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению методом обкатки; оптимизированы режимы упрочнения опорных валков с учетом основных положений теорий упругости и пластичности, глубиной наклепа при упрочнении, предела текучести материала валка после упрочнения, а также исходной твердости валков.

2. Экспериментальные исследования: проведены промышленные испытания и внедрение технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков на 5-ти клетевом стане 1700 холодной прокатки, а также промышленные испытания технологии упрочнения на 4-х клетевом стане 1700; проведены исследования новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на одноклетевом дрессировочном стане. Проведенными исследованиями подтверждена достоверность разработанных математических моделей напряженного состояния и комплектования оборотного парка валков.

Работа выполнялась в Череповецком государственном университете, экспериментальные исследования проводились в Производстве холоднокатаного листа ОАО «Северсталь».

7. Результаты работы реализованы в следующих видах:

7.1. Внедрение на дрессировочном стане № 2 ГТХЛ ОАО «Северсталь» в 1999 году измененных условий подготовки рабочих валков к эксплуатации, исключающих их повышенный расход из-за подгонки по диаметру:

• отшлифованные валки накапливаются на стеллаже;

• комплектация в пары выполняется из числа уже отшлифованных валков, находящихся на стеллаже.

7.2. Внедрение в 1999 году на 5-ти клетевом стане 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь» технологии поверхностного деформационного упрочнения опорных валков (изменение № 4 от 17.03.99 к технологической инструкции ТИ 105-ПХЛ-16-96).

8. Материалы диссертации представлены на Первой областной межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука -региону», Вологда, май 2000 г., и на Международной научно-технической конференции «Павловские чтения», Москва, октябрь 2000 г.

9. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, получен 1 патент на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ОБЩИЕ ВЫВОДЫ)

Методами математического моделирования и промышленных испытаний проведены исследования разработанных мероприятий по повышению стойкости и оптимизации оборотного парка валков станов холодной прокатки. Результаты проведенной работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что регулярно проводимый анализ причин перевалок, перешлифовок валков и расхода их закаленного слоя наряду с анализом причин списания способствует совершенствованию технологии эксплуатации валков и позволяет разработать эффективные мероприятия по увеличению их стойкости и сокращению расхода.

В результате такого анализа получена статистически достоверная зависимость стойкости рабочих валков от величины съема закаленного слоя после наваров. Установлено, что съем закаленного слоя на глубину 0,6 мм вместо 0,3-0,5 позволяет полностью устранить вредные последствия навара. Стойкость валков при этом возрастает в 2-3 раза. Регулярно проводимый анализ условий эксплуатации позволил выявить возможность снижения расхода рабочих валков непрерывных и дрессировочных станов за счет изменения существующей методики комплектования оборотного парка валков этих станов.

2. Впервые разработана на основе методов теории вероятностей математическая модель комплектования оборотного парка валков станов холодной прокатки, позволяющая определять оптимальное количество валков в оборотном парке с учетом требуемой разности диаметров парных валков и их оборачиваемости.

В результате моделирования установлено, что переход на новую методику расчета величины оборотного парка позволит, исключив подгонку по диаметру, уменьшить парк рабочих валков на дрессировочных станах - на 3н-31%, на непрерывных при использовании универсальной профилировки

- на 4-^-12% , а в перспективе (в случае применения валков, изготовленных центробежным литьем) - на 22н-24%.

3. Достоверность разработанной математической модели подтверждена результатами промышленных испытаний новой методики комплектования оборотного парка рабочих валков на дрессировочном стане № 2 ПХЛ ОАО «Северсталь»:

• исключена подгонка по диаметру;

• комплектация в пары осуществляется из числа уже отшлифованных валков;

• сокращение оборотного парка рабочих валков не вызывает увеличения расхода их закаленного слоя.

4. Впервые разработаны математические модели напряженного состояния опорных валков стана холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению методом обкатки в силовом контакте с рабочими валками.

Модели позволяют определять степень упрочнения и изменение запаса усталостной прочности материала поверхностного слоя опорных валков в функции режима упрочнения с учетом:

• основных положений теорий упругости и пластичности;

• глубины наклепа при расчетах остаточных напряжений;

• предела текучести материала валка после упрочнения;

• исходной твердости опорных валков.

5. С использованием математических моделей напряженного состояния разработаны режимы поверхностного и деформационного упрочнения опорных валков непрерывных станов холодной прокатки.

6. Достоверность математических моделей напряженного состояния подтверждена результатами промышленных испытаний разработанных режимов упрочнения на 4-х и 5-ти клетевых станах 1700 ПХЛ ОАО «Северсталь»:

• средний съем закаленного слоя при плановых перешлифовках в результате применения упрочнения снизился на 32%;

• частота появления дефекта «выкрошка» снизилась почти в 2 раза, а доля плановых перешлифовок увеличилась более чем на 40%;

• средняя стойкость опорных валков увеличилась на 41,3%;

• использование рабочего слоя валками возросло на 28,4%о.

1. Целиков А.И., Полухин П.И. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов (т.З - Машины и агрегаты для прокатки и отделки проката) М., 1981. 576 с.

2. Полухин В.П., Николаев В.А. и др. Надежность и долговечность валков холодной прокатки. М., 1976. 448 с.

3. Гостев A.A., Вдовин К.Н., Куц В.А. и др. Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии. Том I. Изготовление валков. М., 1997. 185 с.

4. Ефименко С.П., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. и др. Повышение стойкости опорных валков стана холодной прокатки методом поверхностного деформационного упрочнения // Бюллетень ЧерМетИнформация, выпуск 11-12, 1998, с.55-58

5. Гарбер Э.А. , Ефименко С.П., Спиричев A.B. Повышение стойкости валков холодной прокатки путем совершенствования их эксплуатации // Бюллетень ЧерМетИнформация, выпуск 3-4, 1999, с.53-55

6. Грудев П.И. Сталь, 1967, № 7, с.634-636

7. Боровик Л.И. Эксплуатация валков станов холодной прокатки. М., 1968.

8. Полухин П.И. и др. Тонколистовая прокатка и служба валков. М., 1967.

9. Боровик Л.И., Добронравов А.И. Технология подготовки и эксплуатации валков тонколистовых станов. М., 1984, с. 62-66

10. O.A. с. 1424890 (СССР) МКИ В21В 28/02, 1988.1. .А. с. 1794513 (СССР) МКИ В21В 28/02, 1993.

11. Патент 2096103 РФ, МКИ В21В 28/02, 1997.

12. Патент 2131311 РФ, МКИ В21В 28/02. Способ подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети кварто/Луканин Ю.В., Ефименко СЛ.,Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. Опубл. 10.06.99, бюл.16.

13. Цун A.M., Фиркович А.Ю., Добронравов А.И. и др. Повышение работоспособности опорных валков стана кварто методом обкатки. -Сталь, 1983, №9, с.57-59.

14. Фиркович А.Ю., Цун A.M., Добронравов А.И. и др. Поверхностный наклеп опорных валков. Металлург, 1982, № 1, с.40.

15. А. с. 884754 (СССР). Способ подготовки опорных валков к работе. Стариков А.И., Фиркович А.Ю., Цун A.M. и др. Опубл. 1981, бюл. 44.

16. А. с. 1005965 (СССР). Способ нагрева прокатных валков клети кварто. Шичкин И.Н., Елесин П.З., Цун A.M. и др. Опубл. 1983, бюл. 11.

17. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Спиричев A.B. и др. Новая методика расчета оборотного парка валков в цехах холодной прокатки // Производство проката, 2000, № 1, с. 36-43.

18. Вентцель Е.С., Овчаров J1.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М. : Наука, 1988. 480 с.

19. Основы кибернетики. Теория кибернетических систем / Под ред. Пупкова К.А. Учебное пособие для вузов. М., 1976, 408 с.

20. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М., 1978, 184 с.

21. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. М., 1975, 160 с.

22. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость крупных деталей машин. М., 1981, 240 с.

23. Кудрявцев Н.В., Петушков Г.Е. Влияние кривизны поверхности на глубину пластической деформации при упрочнении поверхностным наклепом.// Вестник машиностроения. 1966. №7, с 41-43.

24. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.Н. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М., 1986, 224 с.

25. Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М., 1965. 172 с.

26. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович A.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М., 1975, 488 с.

27. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М., 1977, 232 с.

28. Гузенков П.Г. Деталь машин. М., 1982, 352 с.

29. Третьяков A.B., Гарбер Э.А. Расчет и исследование валков холодной прокатки. М., 1966. 179 с.

30. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. и др. Моделирование напряженного состояния опорных валков станов холодной прокатки, подвергнутых поверхностному деформационному упрочнению // Производство проката. 2000. № 5, с. 6-10.

31. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. Определение предела текучести поверхности слоя валков по твердости их поверхности // Производство проката. 2000. № 9, с.

32. Гарбер Э.А., Румянцев В.В., Спиричев A.B. Напряженное состояние опорных валков стана холодной прокатки, упрочняемых обкаткой в рабочей клети // Производство проката. 2000. № с

33. Ефименко С.П., Трайно А.И., Гарбер Э.А., Спиричев A.B. и др. Поверхностное деформационное упрочнение опорных валков на 5-ти клетевом стане 1700 // Производство проката. 1999. № 8, с. 12-15.

34. Николаев В.А., Пименов А.Ф., Скороходов В.Н. Разработка и внедрение режимов поверхностного пластического деформационного упрочнения прокатных валков // Производство проката. 1999. № 10, с. 16-19.

35. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. М., 1973, 495 с.

36. Волков О.И. Экономика предприятия. М., 1998, с. 148.

37. Гарбер Э.А., Гончарский A.A., Спиричев A.B. и др. Основы расчета оптимального оборотного парка и рационального маршрута валков в цехах холодной прокатки // Труды третьего конгресса прокатчиков (Липецк, 19-22 октября 1999), Москва, 2000.

38. Аркулис Г.Э., Цун A.M. Причины разрушения валков холодной прокатки // Сталь, 1978, № 7, с.638-639.

39. Склюев П.В., Петров Б.Д. и др. Опорные валки станов холодной прокатки. М., 1967. 67 с.

40. Илюкович Б.М. Стойкость и расход прокатных валков. М., 1964. 110 с.

41. Полухин П.И., Николаев В.А. и др. Прочность прокатных валков. Алма-Ата, 1984. 295 с.

42. Новиков В.Н., Белосевич В.К. Валки листовых станов холодной прокатки. М., 1970. 336 с.

43. Соколов В.Е., Рудюк С.И. Повышение стойкости прокатных валков. М., 1975. 48 с.

44. Шеенко И.Н., Школяренко Г.Д. и др. Повышение стойкости прокатных валков. // Черметинформация, М., 1984. 7 с.

45. Москалев А.Н. и др. Повышение эффективности производства и эксплуатации прокатных валков М., 1983. 63 с.

46. Полухин П.И., Николаев В.А., Полухин В.П. Повышение качества и снижение расхода валков листовых станов // Сталь, 1979, № 11. с. 848-853.

47. Морозов Н.П., Николаев В.А. и др. Производство и эксплуатация крупных опорных валков. М., 1977. 128 с.

48. Полухин П.П., Пименов Г.А., Николаев В.А. и др. Производства крупных опорных валков и пути повышения их стойкости // НИИинформтяжмаш, М., 1974, №2. 48 с.

49. Кудрявцев И.В., Минков Я.Л., Дворников Е.Э. Повышение прочности и долговечности крупных деталей машин поверхностным наклепом // НИИинформтяжмаш, М., 1970, № 12. 144 с.

50. Антонов С.П., Полухин В.П., Николаев В.А. и др. Повышение износостойкости валков непрерывных широкополосных станов холодной прокатки // Сталь, 1973, № 3. с. 426-429.

51. Полухин В.П., Андрианов Н.Ф. Исследование напряженного состояния прокатных валков методом пространственной задачи теории упругости // Известия вузов. Черная металлургия, 1975, № 12. с. 65-67.

52. Диомидов Б.Б., Литовченко Н.В. Технология прокатного производства. М., 1979. 488 с.

53. Полухин В.П., Бернштейн М.Л. и др. Валки многовалковых станов. М., 1983. 129 с.

54. Гун Т.С., Соколов В.Е., Огарков H.H. Обработка прокатных валков. М., 1983. 111 с.

55. Могилев В.К., Лев О.И. Повышение стойкости изложниц и прокатных валков. М., 1986. 116 с.112

56. Кузнецов Ю.Е. и др. Новые методы поверхностного упрочнения прокатных валков. М., 1984. 32 с.