автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и исследование способов поверхностной обработки и прокатки широких полос с применением магнитных полей

рге од

2 5 ДЕК 2009

На правах рукописи

ДЕЛЮСТО Лев Георгиевич

УДК 621.771.02 УДК 621.771.07

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ И ПРОКАТКИ ШИРОКИХ ПОЛОС С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

Специальность: 05.16.05 — Обработка металлов давлением 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Череповец 2000 г.

Работа выполнена в Череповецком государственном университете, ОАО «Северсталь», ОАО «ЧСПЗ».

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

В.В.Рис

- доктор технических наук, профессор Я.М.Виторский

- доктор технических наук, профессор А.Д.Озерский

Ведущее предприятие: - ОАО «Ижорские заводы» (г-Колпино)

Защита состоится " НОЯБРЯ 2000 г. в часов

на заседании диссертационного Совета Д063-38.08 при Санкт-Петербургском техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Химический корпус, ауд. 51.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Г.С. Казакевич

№¿1.53,27,0 К6Ч5.001.2,27,0

Посвящается светлой памяти ученого и изобретателя Мухачева Вадима Михайловича.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Повышение качества продукции, снижение эксплуатационных затрат невозможно без технической модернизации и внесения существенных изменений в технологию производства листового проката. В настоящее время на всех предприятиях черной металлургии РФ, где производится прокат или метизы, повсеместно для удаления окалины применяются травильные установки и агрегаты, эксплуатация которых сопряжена с большими расходами на их содержание. Морально и физически устаревают станы для холодной и горячей прокатки листов и полос. Существует большой процент отсортировки по точности размеров готового проката. По качеству поверхности российский листовой прокат уступает зарубежному (США, Германия), существует значительный расход валков и подшипников из-за поломок, причиной которых являются большие нагрузки на валки в наиболее уязвимых местах. Производство листовой стали остро нуждается в настоящее время в новых экономичных и эффективных способах ее получения.

Одним из самых перспективных способов очистки проката от окалины является метод абразивно-порошковой очистки. Перспективным считается и новый способ прокатки полос в клетях с электромагнитным нажимным механизмом. Поэтому применение этих способов для производства листовой стали приобретает важное народнохозяйственное значение. Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований способов поверхностной обработки и прокатки широких полос разработать новые, более эффективные способы очистки и прокатки, а также оборудование для их реализации, обеспечивающее производство проката более высокого качества при минимальных эксплуатационных затратах. Методы исследований. В работе использованы аналитические и технологические методы исследований, методы экспериментальных исследований на действующих моделях. Для расчета основных энерго-силовых параметров очистки поверхности проката от окалины применялась модель зернистой среды, позволяющей учесть действительную гранулометрическую структуру абразивного порошка и поведение отдельных абразивных частиц и их совокупностей при взаимодействии со слоем окалины. Для расчета основных энерго-силовых параметров прокатки широких полос в магнитном поле ис-

пользовалась методика расчета магнитной технологической оснастки, позволяющая устанавливать математические зависимости взаимодействия прокатных валков в магнитных полях на основе электромагнитной теории. Для экспериментальных исследований разработаны методика расчета и измерения энерго-силовых параметров очистки и прокатки широких полос в магнитных полях, а также созданы действующие модели абразивно-порошковой очистки полос от окалины роторного типа и прокатной клети, позволяющие оценить эффективность новых способов очистки и прокатки широких полос с применением магнитных полей. Научная новизна.

- Создан оригинальный способ фиксации абразивных частиц в очаге очистки в агрегатах роторного типа.

- Разработан способ дополнительного вибрационного воздействия на очаг очистки, существенно повышающего однородность микрорельефа поверхности полосы в продольном и поперечном направлениях.

- Установлено влияние электромагнитных полей, применяемых в процессе очистки, на коррозионную стойкость низкоуглеродисгых и высоколегированных сталей.

- Впервые в технологии обработки металлов давлением (прокатки полос) создан способ управления зазором между прокатными валками с помощью электромагнитных систем различных конструкций, исключающий применение нажимных механизмов.

- Установлено влияние электромагнитных полей, применяемых в процессе прокатки, на основные механические характеристики готового проката (предел текучести и относительное удлинение) и на основные энерго-силовые параметры прокатки (усилие, момент и мощность прокатки). Практическая ценность.

1.Разработан способ удаления окалины с поверхности широких полос при помощи ферромагнитных абразивных порошков в установках роторного типа с применением магнитных полей.

2.Разработан способ очистки поверхности полос от окалины тонким абразивным слоем порошка, нанесенным на упругую подложку.

3.Разработан способ прокатки полос в клетях с электромагнитным нажимным механизмом.

4.Проведенные экспериментальные исследования позволили разработать ряд новых технологических процессов очистки от окалины и прокатки полос с применением электромагнитных полей и создать принципиально новые установки и прокатные клети для их осуществления, что приводит к значительному повышению технико-экономических показателей при производстве го-

рячекатаных и холоднокатаных полос.

5.Проведено опытно - промышленное апробирование новых технологий. Реализация работы. Результаты работы реализованы в следующих видах: 1 .Изготовление, монтаж, испытание и исследования на действующей модели агрегата абразивно-порошковой очистки роторного типа (1986-1999 г.). 2.Изготовление, монтаж, испытания и исследования на действующей модели прокаткой клети с электромагнитной системой прижатия валков к полосе (1995-1999 г.). 3.Экспериментальные исследования пластичности металлов на лабораторном волочильном стане в магнитных полях (1991- 1999 г.).

^Экспериментальные исследования коррозионной стойкости металлов на лабораторной установке в магнитных полях (1993-1999 г.).

5.Рабочий проект агрегата АПО РТ для Верх-Исетского метзавода.

6.Технический проект прокатной клети на усилие 50 тс. (стадия - техническое предложение)

Достоверность теоретических положений и выводов обоснована сравнением расчетных данных и данных, полученных при экспериментальных исследованиях на действующих моделях.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены:

- на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Бескислотные способы удаления окалины", г.Днепропетровск, 1989 г.

- на Международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии, связанные с обработкой металлов давлением", г.Владимир, 1996 г.

- на семинаре кафедры прокатки Санкт-Петербургского технического университета, 1998 г.

- на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах», г. Череповец, 1999 г.

- на П1 конгрессе прокатчиков, г. Липецк, 1999 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей и докладов, новизна и практическая значимость технологических и конструкторских решений подтверждена 28 авторскими свидетельствами и патентами.

Объем диссертационной работы. Основной материал диссертации ( ^бО стр. машинописного текста) включает Введение, 4 главы, общие выводы и литературу го 73 наименований, перечень приложений из 2о_ наименований, илл., табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Исследование и разработка технологии очистки горячекатаных полос от

окалины с помощью ферромагнитных абразивных порошков в агрегатах роторного типа с применением электромагнитных полей (процесс АЛО РТ)

1.1. Создание нового способа удаления окалины с поверхности полос и установок для его реализации.

Первый опьтю-промышленный агрегат для очистки от окалины широких полос был установлен в непрерывно-травильном агрегате №2 (НТА-2) в цехе холодной прокатки Череповецкого металлургического комбината. В 1984-85 г.г. данный агрегат демонстрировался ряду инофирм: Фест-Альпине (Австрия), Хитачи (Япония), Крупп и Маннесман (Германия). В результате переговоров были проданы 3 лицензии на сумму более 2 млн. долларов США, а также заключено соглашение (контракт) с фирмой Крупп на разработку и изготовление опытно-промышленного автономного агрегата АПО, монтаж и испытания которого были начаты в 90-х годах. В 1985 г. на Ленинградском электродном заводе была изготовлена установка для очистки проволоки от окалины, по рабочим чертежам, разработанным автором. Во всех вышеперечисленных устройствах применялось электромагнитное поле для уплотнения абразивного порошка в сочетании, как правило, с механическим прижимом порошка к поверхности проката (полосы, проволоки, круга) с помощью лопаток или поршней (процесс АПО). В 1990-1993 г.г. в соответствии с контрактом западно-германская фирма Крупп изготовила и поставила на Череповецкий металлургический комбинат трехмодульный агрегат абразивно-порошковой очистки полосы от окалины, который был смонтирован в цехе холодной прокатки с целью обеспечения дополнительным металлом пятиклетевого стана холодной прокатки. Изучение микрорельефа поверхности горячекатаных полос после травления и после абразивно-порошковой очистки показало, что на участках, подвергнутых очистке порошком, имеются сильно выраженные полосы, поры и выем-кообразные нарушения внешней поверхности, а после холодной прокатки с обжатием около 68%, на поверхности полос, прошедших очистку, как и раньше видна отчетливо выраженная структура продольных царапин. Шероховатость вдоль полосы примерно в два раза меньше, чем поперек полосы. При холодной прокатке полос, с которых окалина удалена с помощью абразивного порошка, уменьшение шероховатости вдоль направления прокатки,

приводит к уменьшению захвата смазки и неравномерности деформации по ширине полосы, т.е. к снижению качества готовой продукции. Кроме того, для полной очистки поверхности полосы от окалины вышеописанным методом АПО необходимое давление порошка на слой окалины составляет 1,5+3 МПа. При таких давлениях неизбежно повреждение абразивными частицами поверхности полосы, наклеп поверхностного слоя металла, повышенный съем (потеря) металла вместе с окалиной и интенсивный износ инструмента, например, поршней или шнеков, нагнетающих в рабочую камеру модуля АПО абразивный порошок.

Основным недостатком процесса АПО является очистка от окалины поверхности полос незакрепленными зернами абразивного порошка, что снижает эффективность очистки, т.к. большинство абразивных частиц в зоне очистки ориентируются по отношению к поверхности окалины своими тупыми гранями. Для увеличения устойчивости абразивных частиц и максимального уменьшения толщины рабочего слоя порошка, автором был разработан способ, согласно которому абразивный порошок тонким слоем, толщиной не более 2+3 мм, непрерывно накатывается на поверхность большого барабана, имеющего мягкую подложку.

На рис.1 показана установка роторного типа для осуществления способа. В предлагаемой линии (рис.2) непрерывного абразивно-порошкового агрегата может быть установлено несколько аналогичных установок, осуществляющих очистку с двух сторон полосы.

Согласно предлагаемому способу для повышения эффективности очистки, полного устранения сыпучести абразивного порошка и защиты от абразивно-

Рис. 1

го износа поверхности барабанов, роликов и гибких рабочих лент, предварительно на поверхность рабочего барабана, огибаемого полосой, непрерывно накатывается под давлением 200*250 МПа слой упруго-вязкого материала, например, древесных опилок, толщиной 2*5 мм, а затем на этот слой непрерывно напрессовывается под давлением 250*350 МПа слой ферромагнитного абразивного порошка толщиной 2*3 мм соответственно фракций: 300*400 мкм для грубой очиспси, 150*300 мкм для тонкой очистки и 40*80 мкм для шлифования поверхности полосы.

„ ГОАЖНЛЯ чеспь

52 , г*? ЗЕ 37 3$

(ирм)

сз га п Ок-% ' С11_

:<(хтЕзл чать А5 55 57

Пролетное

отёелш^

Рис 2. Непрерывный абразивно-порошковый афегэт роторного типа, совмещенный со станом холодной прокатки.

Экспериментально установлено, что напрессованный на поверхность барабана порошок по предлагаемой технологии надежно удерживается в рабочей зоне, при взаимодействии со слоем окалины разрушается постепенно, послойно и на выходе из зоны очистки оба напрессованных слоя, вновь приобретают исходное сыпучее состояние и пригодны для повторного использования после разделения в системе сепарации.

Эксперименты, проводившиеся в лабораторных условиях на прессовом оборудовании, а также на действующих моделях, показали, что для разрушения слоя окалины при помощи тонкого слоя абразивного порошка, напрессованного на

упруго-вязкую подложку, нанесенную предварительно на поверхность барабана, требуется удельное усилие прижима полосы к порошку около 1,5-2,5 кг/см2 (0,15+0,25 МПа), то есть в 10+15 раз меньше, чем при очистке полосы незакрепленными абразивными частицами. Уменьшение толщины слоя порошка примерно в 15+20 раз разгружает систему сепарации и циркуляции порошка, уменьшает вес, мощность и габариты вентиляционных установок.

1.2. Особенности формирования абразивного слоя на поверхности большого барабана в установках АПО роторного типа.

Особенности формирования абразивного слоя и его взаимодействия с упругой подложкой и слоем окалины заключается в следующем. При накатке древесных опилок на твердую насеченную поверхность барабана под давлением 200+250 МПа на поверхности барабана формируется прессованный слой опилок, толщиной около 2+3 мм, жестко связанный с поверхностью барабана. На слой опилок непрерывно накатывается порошок под давлением 250+350 МПа. При этом первый слой абразивных частиц вдавливается в слой опилок, а последующие слои формируются в абразивную ленту толщиной 2+3 мм определенной прочности за счет деформации в местах контакта, а также за счет заклинивания частиц между собой.

При движении очищаемой полосы относительно абразивного слоя, прижатой к нему с давлением около 0,15+0,25 МПа, абразивный слой начинает постепенно выкрашиваться, взаимодействуя со слоем окалины. Так как абразивный слой имеет волнистую поверхность, то он при разрушении, за счет объемов частиц размещенных в вершинах, хорошо заполняет все неровности на поверхности полосы, а наличие упруго-вязкой подложки исключает жесткий контакт абразивного слоя с поверхностью полосы и ее повреждение острыми гранями частиц порошка. На выходе из рабочей зоны происходит полное разрушение абразивной ленты и упруго-вязкой основы из древесных опилок. На входе в рабочую зону происходит непрерывное формирование абразивной ленты на упруго-вязком основании.

Степень очистки зависит от механических характеристик порошка, его гранулометрического состава, давления накатки, давления прижима и длины контакта полосы с абразивным слоем, напрессованным на поверхность барабана, а также от качества напрессовки на барабан упруго-вязкого основания. Для удержания ферромагнитных абразивных частиц в рабочей зоне могут быть применены магнитные поля.

Технология применима как для частичной очистки полосы от окалины при

совмещении с непрерывно-травильными агрегатами, так и для полной очистки в несколько стадий.

Согласно новой технологии для полной очистки вначале полоса обрабатывается накатанным на барабан порошком фракций 300+400 мкм, при этом разрушается верхний слой окалины, затем обрабатывается порошком фракций 150+300 мкм, который удаляет с поверхности металла практически всю окалину, а на последней стадии полоса шлифуется порошком фракций 40+80 мкм, для получения требуемой шероховатости поверхности. Предлагаемая технология очистки применима как для односторонней, так и для двухсторонней обработки полос.

Рис. 3. Схема формирования на поверхности барабана упруговязкого слоя и слоя из абразивного порошка. На рис. 3. показана схема осуществления способа, по которому абразивный порошок тонким слоем наносится непосредственно на поверхность рабочего барабана.

В зазор между рабочим барабаном 1 и накатывающим валком 2 подается упруго-вязкий материал, например, древесные опилки 3 из бункера 4. После 1+2 оборотов барабана 2 и получения при давлении 200+250 МПа прессованного слоя 5 опилок в зазор между рабочим барабаном I и накатывающим валком 6 подают абразивный порошок 7, который вкатывают при давлении 250+350 МПа в слой прессованного упруго-вязкого материала, например, опилок 3.

Поверхность барабана 1 имеет грубую насечку или канавки, в которые легко погружается материал 3. При вращении барабана 1 на его поверхности образуется тонкий, достаточно прочный слой абразивных частиц 8, скрепленных внешним давлением друг с другом и с материалом 3. Таким образом, барабан 1 представляет жесткий абразивный инструмент с постоянно восстанавливаемой абразивной поверхностью.

Для стабильной очистки используют принудительное рассогласование линейных скоростей барабана и очищаемой полосы.

При взаимодействии слоя абразивных частиц 8 со слоем окалины 13, впрес-совыванные в упругий материал 3, абразивные частицы постепенно выкрашиваются из него, одновременно происходит постепенное разрушение и прессованного слоя опилок 3. Образующаяся смесь порошка, окалины и опилок 14 при выходе из рабочей зоны отсасывается щелевыми отсосами или иными средствами 15 и направляется в систему сепарации и циркуляции порошка (на чертеже условно не показана), где происходит разделение смеси. Чистый порошок вновь направляется в бункер 4 (он имеет отсеки для опилок 3 и порошка 7) для повторного использования.

Если необходима по технологии полная очистка, то ее осуществляют в несколько стадий. Сначала полосу обрабатывают на барабане, на который накатываются абразивные частицы фракций 300+400 мкм, затем обрабатывают на барабане, на который накатывают слой абразивных частиц фракций 150+300 мкм, а для окончательной обработки (шлифовки) полосы используют барабан, на который накатывают абразивные частицы размером 40+80 мкм и меньше в зависимости от класса чистоты поверхности полосы.

1.3. Разработка рабочего проекта установки абразивно-порошковой очистки полос от окалины роторного типа для Верх-Исетского металлургического завода.

В 1988-1989 г.г. в Череповецком филиале Вологодского политехнического института совместно со специалистами института ВНИИ ЭЛЕКТРОМАШ был выполнен рабочий проект опытно-промышленной установки абразивно-порошковой очистки полосы от окалины роторного типа для Верх-Исетского металлургического комбината.

Установка абразивно-порошковой очистки полосы роторного типа (АПО РТ) состоит из следующих основных устройств (рис. 4) (Модуль АПО РТ односторонней очистки)

Рис. 4. Схема модуля АПО РТ односторонней очистки.

1. Устройство для протягивания полосы. В его состав входит приводной двигатель постояшюго тока 1, редуктор 2, приводной барабан 3, направляющий барабан 4 и натяжной барабан 5 с гидроцилиндрами для создания натяжения 6. Барабаны 3,4 служат для перемещения резинотроссовой транспортерной ленты 7 типа 2РТЛ-5000 шириной 1400 мм с линейной скоростью У=3 0^-70 м/мин.

2. Нажимное устройство. Состоит го роликового сектора 8, который с помощью гидроцилиндров 9 прижимает ленту 7 и очищаемую металлическую полосу 10 к абразивному барабану 11 с усилием Рп.

3. Устройство формирования абразивно-порошкового слоя (АЛЛ). В состав входит формирующий ролик 12, обеспечивающий уплотнение абразивного порошка и накатку его на поверхность барабана 11. Порошок через щелевой затвор бункера 13 подается в зону напрессовки порошка на барабан 11. Ролик 12 приводится во вращение двигателем 14 через редуктор 15. Зазор между роликом 12 и барабаном 11 устанавливается с помощью винтового устройства 16.

4. Абразивный барабан. Внутри барабана 11 установлен электромагнит 17, обеспечивающий дополнительный прижим полосы 10 к поверхности барабана 11 и снижающий подвижность частиц абразивного металлического порошка при его взаимодействии со слоем окалины.

5. Система циркуляции и сепарации порошка состоит из щелевых патрубков 18, системы сепарации порошке 19, батарей циклонов 20 и 21.

6. Устройство для формирования вязко-упругой подложки под АПЛ состоит из бункера 22 с древесными опилками и накатного ролика 23. Ролик 23 приводится во вращение двигателем 24 через редуктор 25

Основные технические данные установки абразивно-порошковой очистки роторного типа (процесс - АПО РТ) (проект АЧ6-00-00-000СБ)

1. Ширина полосы: мин. 700 мм, макс. 1150 мм

2. Толщина полосы: мин. 2 мм, макс. 3,5 мм

3. Скорости: а) устройства протягивания полосы: мин.0,2м/с, макс. 1,2м/с

б) барабана окружная: мин. 0,05 м/с, макс. 0,2 м/с

в) ролика ффмирующгпм»фужная(поз.12 и пю23)мин.0,05м/с, максОДм/с

4. Питающее напряжение: для электродвигателя М1 б или 10 кВ, 380 В

для электродвигателей М2, МЗ 380 В

5. Суммарное усилие гидроцилиндров: нажимного устройства до 100тс(106 Н)

натяжного механизма до 40 тс(4-105 Н)

6. Техническая характеристика ленты протягивающего устройства АПО РТ. Наименование - резино-тросовая транспортерная лента

Тип -2РТЛ-5000 Диаметр троса, мм- 10,6

Шаг между тросами, мм -17,0 Прочность, Н/м ширины -5000

Максимальное натяжение, Н/м-600 Толщина, мм -27

Вес 1м2, кг -53 Ширина, мм -1000^-2500

Диаметр барабана, мм -1600^-2000

1.4. Особенности процесса очистки поверхности полосы от окалины в установках роторного типа (АПО РТ).

Во всех предшествующих схемах АПО очистка полос осуществлялась с использованием тянущих усилий, приложенных непосредственно к полосе на выходе из зоны очистки. В установках роторного типа тянущее усилие равномерно распределяется по всей поверхности полосы, находящейся в зоне очистки, поэтому в полосе не возникает опасных растягивающих напряжений, приводящих к обрыву полосы.

В установках АПО роторного типа очистка осуществляется за счет сил трения, действующих по всей поверхности контакта полосы с барабаном большого диаметра, возникающих при сцеплении порошка с окалиной, которые характеризуются средним коэффициентом сцепления (для низкоуглеродистых сталей ксц~0,25). Кроме того, силы сцепления, усиливаемые действием магнитного поля, действуют также между порошком и барабаном (кб~0,44). Проскальзывания барабана относительно порошка не происходит, т.к. коэффициент трения между барабаном и порошком выше, чем между порошком и окалиной. Кроме того, для увеличения коэффициента трения поверхность барабана покрывается специальным материалом (например, алюминием, мягкой сталью или слоем спрессованных древесных опилок), что способствует вдавливанию порошка в поверхность барабана и еще больше усиливает силы сцепления между порошком и барабаном.

Полоса относительно ленты прижимного транспортера не двигается за счет того, что коэффициент трения между резиновой лентой и полосой, равный кт=0,6-0,7, значительно выше, чем между полосой и порошком. Полоса двигается за счет трения о ленту транспортера, со скоростью, равной скорости ленты транспортера.

Таким образом, АПО РТ представляет по данной схеме две кинематические системы: лента прижимного транспортера с полосой и барабан с порошком, перемещающиеся относительно друг друга за счет нежестких фрикционных связей (между частицами порошка и окалиной).

Необходимым условием очистки полосы является соблюдение определенных соотношений между коэффициентами трения в указанных парах, то-есть: Барабан и транспортер имеют индивидуальные, автономные, независимые друг от друга приводы одинаковой мощности.

Одинаковая мощность индивидуальных приводов транспортера и барабана позволяет также менять функции транспортера и барабана местами:

| об - ит | =До, |ит-и6(=До Наличие индивидуальных независимых приводов барабана и транспортера обеспечивает стабильность геометрических и энерго-силовых параметров процесса очистки.

Рассмотрим силы, которые возникают в рабочей зоне и действуют во время очистки полосы от окалины.

Модуль максимальной силы сцепления равен: =ксц р, (1)

где Ксц - коэффициент сцепления покоя; <3 - усилие прижима порошка к полосе и™ ^ = ксч • б = Ксц ■ • = Ксч ■ 4 • Вп ■ дп = Ксч ■ ^ ■ а ■ Вп ■ д„ (2) # = о или Ы =

где N - мощность, потребляемая при разрушении окалины; - радиус барабана, а - центральный угол охвата барабана полосой, В„ - ширина полосы, - давление порошка на полосу, Ь„ - длина зоны очистки, - площадь контакта, До - скорость очистки.

Откуда следует, что эффективность очистки прямо пропорциональна давлению порошка на полосу, скорости очистки, радиусу барабана, углу охвата барабана полосой и зависит от физико-механических свойств абразивного материала. Из выражения (2) также следует, что с ростом к^, при постоянных Ди, Р16, а, Вп , я„ эффективность очистки будет увеличиваться. Чем плотнее друг к другу уложены абразивные частицы, тем больше угол внутреннего трения порошка, чем плотнее частицы порошка прижаты друг к другу механическими

и электромагнитными силами, тем больше кс„ , тем больше разрушающее усилие Г™** при К$ • а ■ Вп • я„ • Аи=сопБ1.

Результаты многочисленных экспериментов по очистке полос от окалины на моделях показали, что, очистка в установках АПО РТ более эффективна и более качественна по сравнению с установками АПО, в которых порошок прижимается к поверхности полосы лопатками, поршнями или шнеками. Для того, чтобы окалина начала разрушаться, необходимо к абразивным частицам приложить вертикальную силу Рг, при которой частицы порошка будут внедрятся в окалину. Так как окалина на полосе имеет небольшую толщину, то абразивные частицы внедряются в нее своими выступами. В работе рассмотрено несколько случаев, имеющих место при внедрении частицы в окалину.

Случай I. Выступ частицы имеет круглую форму. Тогда деформирующее усилие Рг одной АЧ можно определить по формуле:

/

Рг - ж • Нг ■ а.

1+! <3>

Случай II. Выступ абразивной частицы имеет форму плоского пуансона. Деформирующее усилие при внедрении АЧ в слой окалины равно: Ргн=я-Н2-ст0-(1 + л:) (4)

Полное усилие деформирования, приложенное со стороны давящей поверхности инструмента (лопатки, поршни и т.п.), учитывая контактный способ передачи усилия можно определить по формуле:

^ вь

Ц = —2—' £'ка' "г а с учетом выражений Рг (3) и (4):

в-ь

г -Л V 4 у

(6)

81 =—2—-от,

аср

В ь

д1=-^--£-ка-тг-Н1ср-ст0-{\ + л:), (7),

«СР

где В - ширина зоны контакта; Ь - длина зоны контакта; аср - средний размер абразивных частиц; ка - коэффициент учитывающий фактическое число точек контакта (ка =па!пп ), где па - число активных частиц, п„ = полное

число частиц в контактном слое; е - коэффициент, учитывающий пористость (несплошность) слоя порошка в зоне контакта: е=(1-П0), где П0 - пористость порошка, П0~ | -рнас | рм, где р„ас - плотность порошка, ри - плотность метал-

ла; Нср - средняя толщина окалины; сг0 - предел прочности окалины на разрушение при внедрении абразивной частицы i. слою окалины. Случай III. Выступ абразивной частицы имеет форму конуса. Для данного случая: Pr—7t ■ Н2 • <70 - (l + а)

В • L

Полное усилие равно: Q3 — —— -е-ка-7С- Hlp • а0 • (l + а) (8)

аср

В случае очистки от окалины широкой полосы с двух сторон, усилие протягивания, определяется по выражению:

T=2-Q-kcii , (9)

q=Q/BL, (10)

где КсЦ - коэффициент трения движения абразивного порошка по разрушаемому слою окалины, который можно применить для сталей марок Зкп, 8кп, 20кп, Д-0,12 и для сталей марок 20 и 45 - 0,07. Коэффициенты ка, к^ сг0, s - определяются экспериментально.

1.5. Результаты исследований и экспериментов по очистке образцов полос с применением магнитных полей. Определение влияния магнитного поля на эффективность очистки поверхности образцов полос, взаимодействующих с тонким слоем абразивного порошка.

Для очистки использовались образцы полос из стали марки 08кп толщиной 3 мм. Результаты сведены в табл. 1.

Из таблицы видно (строки 6 и 9), что эффективность очистки с применением магнитного поля в 2 раза выше, чем при очистке без применения магнитного поля при одинаковых давлениях и длинах контакта.

Результаты односторонней частичной и полной очистки от окалины образцов полос стали марки 08кп, предварительно растянутых на 3% показали: предварительное растяжение образцов полос перед механической обработкой (с использованием абразивного порошка: рассеянной чугунной колотой дроби фракции 315 мкм) увеличивает механический съем окалины с 46,8% до 50,4% (в сравнении с первым экспериментом). При этом скорость травления увеличилась в 3 раза, по сравнению с исходным образцом и в 1,5 раза по сравнению с нерастянутым образцом. Это объясняется тем, что во время растяжения полосы, в слое окалины возникают трещины, в которые проникает кислота и скорость травления увеличивается. Часть окалины при растяжении ломается и отслаивается от поверхности полосы, поэтому количество окалины (в г/м2) на поверхности растянутого образца несколько меньше, чем нерастянутого.

Таблица 1

Частичная очистка «50% с последующим травлением

Наименование qп, МПа Ьк, мм и и о ' э съем Уок, г/м2 травление съем Умех АПО РТ, г/м2 % съема АПО РТ Увел. скор, травл., пяч

1. Исходный образец - - 92 46,623 - - -

2. Чугунная колотая дробь не-эассеянная 0,241 2100 86 37,797 8,826 18,9

3. Чугунная колотая дробь фракции 315 мкм - резиновая крошка (5:1) 0,241 2100 45 33,288 13,335 28,6 2,0

4. Чугунная колотая дробь фракции 630 мкм 0,241 2100 52 30,862 15,761 33,8 1,5

5. Чугунная колотая дробь фракции 400 мкм 0,241 2100 51 29,172 17,451 37,4 1,8

6. Чугунная колотая дробь фракции 315 мкм в магнитном поле (В=0,2Тл) 0,241 2100 43 24,8 21,823 46,8 2,1

7. Чугунная колотая дробь фракции 315 мкм - шлифпоро-шок (10:1) 0,241 2100 35 23,275 23,348 50,1 2,6

8. Шлифпорошок (карбид бора N4) фракция 1-5 мкм 3,241 2100 31 21,938 24,685 52,9 3,0

9. Чугунная колотая дробь фракции 315 мкм без магнитного поля 0,241 2100 45 37,335 10,126 21,7 2,0

Обозначения: qп — давление на порошок, Ьк -суммарная длина очистки, т -время травления образцов после очистки, Уок - количество стравленной окалины, Умех - количество окалины удаленной порошком (46,623 - У01С).

Предварительное растяжение полос перед механической полной обработкой позволяет при давлении порошка на полосу qп=0,24 МПа уменьшить длину контакта порошка с полосой до Ьк=4200 мм по сравнению с нерастянутыми образцами, у которых длина контакта при таком же давлении достигала Ьк=4800 мм.

Использование для очистки рассеянных порошков и в этом случае доказывает их преимущество перед не рассеянными. Скорость травления после частичной обработки рассеянным порошком фракции 315 мкм увеличивается в 1,2 раза по сравнению со скоростью травления при обработке не рассеянным порошком. При полной очистке механическая обработка рассеянным порошком позволяет сократить длину контакта порошка с полосой с Ьк=5100 мм (при механической обработке не рассеянным порошком) до 1^=4200 мм при давлении чп=0,24 МПа. Результаты частичной очистки нержавеющей стали марки Х18Н9Т с последующим травлением показали возможность удаления окалины методом АПО РТ с нержавеющих сталей. Скорость травления после АПО РТ увеличивается ~в 4,0 раза, и чистота поверхности соответствует 5-6 классу. Сравнивая образцы, обработанные различными абразивными порошками, можно заключить, что эффективнее использовал, рассеянные порошки фракции <315 мкм. Частицы рассеянного абразивного порошка одной фракции имеют одинаковый размер и приблизительно одинаковую форму, поэтому равномерно внедряются в слой окалины на всю глубину. Это сопровождается нанесением на поверхность слоя окалины царапин, куда при травлении гцюникает кислота и процесс травления интенсифицируется.

1.6. Результаты частичной и полной очистки образцов полос из низкоуглеродистой стали в действующей модели установки АПО РТ.

Таблица 2.

N° эбразца Чп, МПа мм сек Уою г/м" у -1 мех АПО РТ, г/м2 Уо съема окалины увеличение скорости гравл., раз

- - 116 44,078 - - -

0,127 92,7 85 41,666 2,412 5,5 1,4

0,127 185 76 37,745 6,333 14,4 1,5

0,127 371 67 32,870 11,208 25,4 1,7

0,127 556 72 29,166 14,912 33,8 1,6

0,127 742 42 28,415 15,663 35,5 2,8

0,127 927 31 26,137 17,941 40,7 3,7

0,127 1114 34 23,645 20,433 46,4 3,4

0,127 1483 32 21,062 23,016 52,2 3,6

0,127 1854 32 18,956 25,122 57 3,6

0,127 2225 26 15,800 28,278 54,2 4,5

0,127 2967 23 11,692 32,386 73,5 5

0,127 3709 18 6,029 38,049 86,3 5,4

0,127 4450 - - 44,078 100 -

Очистка проводилась при постоянном давлении порошка на полосу я„=0,127 МПа, прижим обеспечивался при помощи вспомогательного транспортера, снабженного натяжным винтовым устройством.

Для очистки использовалась стальная холоднокатаная лента марки 08кп, толщиной Ь=1,3 мм с искусственно нанесенной окалиной. Полученные данные сведены в таблицу 2.

1.7. Создание и испытание усовершенствованной конструкции модели АПО РТ с вибрационным механизмом.

Для изучения возможности очистки г/к полос по способу, согласно которому абразивный порошок напрессовывается на поверхность барабана в виде тонкого слоя, была изготовлена новая конструкция действующей модели АПО РТ. При проектировании модели были использованы рабочие чертежи по проекту АЧ-6.00.00.000ЧБ, разработанные по заказу Верх-Исетского металлургического комбината. Схема модели показана на рис.5.

Рис. 5. Схема модели модуля для односторонней очистки

полосы с применением вибрацки полосы в зоне контакта.

Учитывая, что в агрегатах АПО РТ, также как и в ранее созданных установках АПО, при 100% очистке поверхности полос от окалины неизбежны продольные царапины, наносимые острыми гранями частиц не допустимые по ГОСТу, на модели АПО РТ был установлен электромеханический вибратор, обеспечивающий поперечную и вертикальную осцилляцию абразивных частиц в зоне очистки. Результаты очистки образцов горячекатаных полос представлены в табл. 3.

Таблица 3.

№ п/п Давление [10 манометру, Мпа Давление абразивного порошка на пологу, МПа Модель Длина юны эчи-:тки, им Натура Длина контакта торошка с полосой (расчетная) 100% очи-;тка (Ьк),мм Шероховатость поверхности, мкм Производительность (натура) мкм после прокатки

К*, здоль поперек эпилки, *3/ч поро- иок, кт/ч

Без поперечной осцилляции полосы

1 3,05 0,12 23 4500 0,63 1,05 5,8-10"3 134 1,63

2 3,10 3,40 23 3750 0,95 1,15 6,8-Ю-3 134 1,63

3 3,15 3,70 24 2930 1,30 1Д6 6,8-Ю-3 134 1,63

4 3,20 3,90 25 2550 1,97 1,23 6,8-10'3 134 1,63

5 3,30 1,30 25 2200 2,38 1,74 6,8-10"3 134 1,63

С поперечной осцилляцией полосы

1 3,05 3,12 24 2540 3,77 3,99 5,8-10"3 134 1,70

2 0,10 3,40 24 2050 0,96 1Д8 5,8-10"3 134 1,70

3 3,15 3,70 25 1830 1,87 1,48 5,8-10"3 134 1,70

4 Э,20 3,90 25 1600 2,06 1,65 5,8-103 134 1,70

5 0,30 1,30 25 1450 3,01 2,46 6,8-10"3 134 1,70

Из таблицы хорошо видно, что при одном и том же давлении слоя абразивного порошка на полосу для 100% удаления окалины с поверхности полосы с поперечной осцилляцией частиц требуется меньшая

длина контакта Ьк , чем без осцилляции. Так, дня 100% очистки полосы (08кп) без поперечной осцилляции требуется длина контакта Ьк=4500 мм при цп=0,12 МПа, а для 100% очистки той же полосы, при том же давлении, при осцилляции требуется длина контакта Ьк=2540 мм, т.е. в 1,77 раза меньше. При увеличении давления эта разница уменьшается до 1,51, но не значительно. Так как длина контакта связана с габаритами и мощностью модуля АПО РТ, то применение вибрации порошка в зоне очистки не только улучшает качество очистки, но и снижает расходуемую на очистку мощность.

Рисунок 6 Микрорель- Рисунок 7 Микрорель- Вй&>§.Микрорельеф по-

еф поверхности без еф поверхности без верхноста с вибрацией

вибрации. §„¿=630 мкм, вибрации,§^=630мкм, ^¿¡а Е=Жл.

1^=3300 мм, <^=0,2 Ц=4500 мм, ¡^=0,3 ' <Ъ=й!МШ

На рис. 6 и 7 представлены фотографии поверхности полосы, очищенной в АЛО РТ без поперечной осцилляции абразивного порошка соответственно при давлениях яп=0,2 МПа и 0,3 МПа. Микрорельеф полосы имеет ярко выраженный полосчатый характер, царапины, параллельные друг другу, идут непрерывно по всей поверхности полосы, причем, чем больше давление, тем царапины глубже. Подобная картина характерна доя всех способов и устройств АПО и АЛО РТ и видов проката (полоса, катанка, круг и т.д.), где абразивный порошок под давлением прижимается к поверхности проката, т.к. абразивная частица только в момент погружения в окалину (а, следовательно, и в металл) просто давит на нее, а остальное время абразивная частица работает в зоне очистки как микрорезец, то есть режет окалину и частично сам металл, снимая с него стружку. Если же заставить абразивную частицу вибрировать, то она начинает работать как микрофреза и характер микрорельефа резко изменяется. На рис. 8 представлена фотография поверхности полосы, очищенной в модели АПО РТ с поперечной осцилляцией частиц в рабочей зоне при давлении цп=0,1 МПа, частоте колебаний 50 Гц и амплитуде колебаний около 0,4 мм. Из фотографии видно, что абразивные частицы не оставляют на поверхности полосы глубоких сплошных царапин, а наносят на ее поверхность сетку волнообразных рисок. Микрорельеф поверхности полосы в этом случае более однообразеа Шероховатость развита как в продольном так и в поперечном направлении, что способствует уменьшению анизотропии трения и неравномерности деформации при последующей прокатке. Недопустимы сплошные риски и на горячекатаной полосе, т.к. они являются концентраторами напряжений и могут явиться причиной разрушения ответственных конструкций.

При давлениях цп<0,5 МПа (5 кгс/см2) возможно использование электромагнита для прижима полосы к поверхности барабана.

Намагничивающая сила Б, необходимая в этом случае для разрушения окалины в зоне очистки:

, ч 1,58-б'На Г7 ^л :

Мб 'вер 1 I 4) где 1 - ток в обмотках электромагнита; ш - число витков; Нф - средняя толщина слоя окалины; е=1-П<,, где Ц, - пористость порошка; а - средний размер абразивных частиц; 5 - зазор между полосой и поверхностью барабана; ре - магнитная проницаемость порошка; ка - коэффициент активности порошка; ст0 - сопротивление окалины разрушению в направлении перпендикулярном ее поверхности. Выражение (11) связывает энергосиловые параметры электромагнита с физико-технологическими свойствами абразивного порошка и окалины. Равномерно рас-

пределенное по поверхности полосы удельное усилие равно •сэ==Чэ кси > где <ь - электромагнитное давление, к^ - коэффициент сцепления порошка с окалиной. Тогда

сила трения будет равна: Т = Тэ • Вп- Ьк= » а—г. ^ но согласно (6)

H2

ка • — -<г0 -к^, откуда

а

Т^,Ъ-л-{\ + ^-еа-ка-~-ксц-Вп-В6-а-ст0 (12) где Вп - ширина полосы.

Выражение (12) связывает конструктивные и энергосиловые параметры агрегата АПО РТ с физико-технологическими параметрами абразивного порошка и окалины. Сопротивление окалины разрушению - а0 определяется экспериментально для каждой марки стали с учетом скорости очистки, абразивных свойств порошков и амплитуды колебания абразивных частиц в зоне очистки.

1.8. Влияние абразивно-порошковой очистки на коррозионную стойкость

горячекатаных полос

В процессе исследований было установлено, что очистка поверхности горячекатаных полос от окалины при помощи ферромагнитных абразивных порошков в магнитном поле положительно влияет на свойства металла, в частности, на коррозионную стойкость и пластичность.

Исследование коррозионной стойкости производилось на образцах полос из нержавеющей и низкоуглеродистой стали. Результаты исследования представлены в таблице 4-и 5.

Таблица 4.

Вид обработки образца полосы Время травления в серной кислоте, ч. Весовой показатель коррозии, г/м2-ч Глубинный показатель коррозии, мм/год

Fie обработанный 96 0,26 0,29

Эбработанный абразивным порошком в магнитном поле 96 0,14 0,16

Таким образом, при очистке горячекатаных полос в агрегатах АПО РТ с применением электромагнитных полей можно ожидать увеличения коррозионной стойкости поверхности полос в 1,8 раза.

1.9. Влияние электромагнитного поля на пластичность металла.

Установлено, что при обработке металлов в магнитном поле повышается пластичность металлов. Были проведены исследования влияния электромагнитного поля на механические свойства канатной проволоки. В результате исследований установлено, что при расположении электромагнита перед во-локой и величине магнитной индукции В=0,6-^0,7 Тл при степени деформации проволоки из стали марки 60 до е=7%+9% относительное удлинение возросло в 1,59 раза, относительное сужение в 1,9 раза, а предел текучести уменьшился на 10%. Результаты исследований пластичности канатной проволоки непосредственно на волочильном станке СПКП ОАО ЧСПЗ(1994г) при волочении с применением электромагнитного поля представлены в табл.5.

Результаты экспериментов при волочении канатной проволоки по ГОСТ 7372-79 с применением охлаждения и эл. магнитной обработки (ЭМО)

Таблица 5.

Параметр среднее значение канатная проволока 02,8 ст65

базовый вариант с эл.маг. обработкой Уо изм. с эл.маг. обработкой перед 6ой вал. % изм.

Предел прочности ств сред, кгс/мм2 187,5 180,1 -3,9 188,1 0,32

Удлинение 5шсред, % 1,9 2,35 23,7 2,35 23,7

Скручива-ние псрся 21,2 33,3 57,1 28,6 34,9

Гибы п^д 13,6 15,5 14 14,9 9,6

Изучение микроструктуры проволоки после волочения с применением электромагнитного поля показало, что повышение пластичности вызвано действием электромагнитных сил Лоренца на дефекты кристаллической решетки, в результате чего снижается величина касательных напряжений, необходимая для движения дислокаций.

При обработке образцов полосы из стали марки 08ю в магнитном поле с индукцией В=0,6-^0,7 Тл получили снижение предела текучести на 3,5 кгс/мм2 (35 Н/м2), а увеличение удлинения на 1,6%. Учитывая, что после отжига холоднокатаный прокат из низкоуглеродистой стали подвергается дрессировке со степенью обжатия не более 9%, перед операцией дрессировки можно обрабатывать полосу в магнитом поле необходимой напряженности, достаточной для повышения пластичности металла.

Поскольку деформация металла в магнитном поле облегчается за счет увеличения его пластичности, то это явление можно использовать при холодной прокатке, пропуская магнитный поток через валки перпендикулярно плоскости прокатки. Основные формулы для определения основных энергосиловых параметров АПО РТ приведены в табл. 6.

Таблица 6

№ Формула Характеристика

1 Я>=лЯ2сг0(1 + Элементарное усилие при внедрении абразивной частицы в слой окалины, с выступом, имеющим сферическую форму

2 с1Р2 =Я-#2<70(1 + 7Г) То же, с выступом, имеющим плоскую форму

3 = лНгай (1 + а) То же, с выступом, имеющим при вершине острый угол

4 л в ь б, = ■£ -Ка -71 ■ ■"1 ".-И) Деформирующее усилие - усилие прижима порошка к поверхности полосы (к слою окалины), необходимое для его разрушения

5 „ в ь 2 -е-к.-тс ■ < ■Н)р - оа (1 + я)

6 п вь 2э = 2 -ка -ж ■ °СР ■Н]р -а0-(1 + а)

7 т=2-д-ксц Усилие протягивания полосы через порошок при двухсторонней очистке (сила трения)

8 •Ка-Кг-Яо Среднее давление прижима порошка на слой окалины (определяется по номограмме, рис. 9)

9 Т = 0.5-/Г + • // 2 ' —■ ■ й 6 -а ■ а с а Сила трения (разрушения) между слоем окалины и порошком при давлении полосы (односторонняя очистка)

10 „ 1,58-Яср Л> ~ /"о -^х(1 + а)£-ка ■ с о Намагничивающая сила (./су) , необходимая для создания деформирующего усилия в зоне очистки

Для определения давления порошка на слой окалины разработана номограмма, показанная на рис. 9.

< г

\\ ¿/ : V : , ]

* <ъ у г / / М № V V "■/ /, </ 7/ 'г * тп ЙГ г %Х 1 1 щ \\\ гчй \ \ \ » \ " т \

К ,

■г

т

ё (>' щ

Рис.9 Номограмма для определения давления порошка на слой окалины (Пример: а=п/4, Ка=0,5, Кг=3-10"2, ст*о=3000Мпа)

2. Исследование и разработка способов прокатки широких полос в конструкциях прокатных клетей с применением электромагнитных

полей

2.1. Разработка схем электромагнитных прокатных клетей.

Если через два параллельных проводника пропустить электрический ток в одном направлении, то они притянутся друг к другу. Тоже самое произойдет и с прокатными валками. Притяжение (или отталкивание) валков объясняется возникновением и взаимодействием друг с другом круговых электромагнитных полей. Согласно разработанному способу, электрический ток пропускается по валкам вдоль их осей. Таким образом, прокатка полосы осуществля-

ется без нажимных винтов, так как усилие прокатки возникает внутри самих валков.

Полное активное усилие прокатки определяется по формуле:

т2

--/(Н), (13)

2 па

где J - сила тока в А;а - расстояние между осями проводников, м; ¡Л - относительная магнитная проницаемость материала; /Ла - магнитная проницаемость вакуума ( /ио =4л10"7 Гн/м); I - длина проводника, м. Активное давление валка на прокатываемый материал определяется по

Ра

выражению: — -——,

Н ' Вп

(14)

где /3 =4к • Ыг - длина дуги захвата, где К - радиус валка, ЛИ - абсолютное

обжатие, равное Л!г=Ьо-Ьк , где Ь0 - начальная толщина материала, Ьк - конечная толщина материала, а=(0+Ьк), или с учетом выражения (13):

Ча ='

( Н

\м2)

(15)

Из формулы (15) следует, что давление валка на материал в процессе прокатки можно регулировать, изменяя силу тока

На рис. 10. показана схема электромагнитной клети, принцип действия которой основан на взаимодействии проводника (валка) с током, помещенным во внешнее электромагнитное или магнитное поле. Внешнее поле с индукцией В создается с помощью катушки возбуждения 1, охватывающей магнитопровод 2 П-образного типа. Полюса электромагнита цилиндрической формы установлены по отношению к поверхности валков 3 с зазором 8. Магнитопроводы 2 имеют жесткую связь между собой и основанием 4. Валки 3 установлены с возможностью вертикальных перемещений. Из электромагнитной теории известно, что намагничивающая сила, необходимая

В В • I

для создания индукции В равна: Р — 3уСО — т - д • — + —~, (16)

Мо Мст

Рис.10 Схема электромагнитной клети ДУО при взаимодействии валка стоком с внешним магнитным полем

где Jy - ток в катушке возбуждения, А; со - число витков в катушке; В5 - индукция в зазоре 5, Тл; Цо=47г10'7, Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; Вст - индукция в стали (по кривым намагничивания), Гн/м; / С1 - средняя длина магшггопро-вода, м; Цет - магнитная проницаемость стали; m -количество воздушных зазоров. В зависимости от направления токов J в валках, последние или притягиваются с усилием Pa=J-B5 -L, или отталкиваются, где J - ток в валках, L - длина валка, м. На рис. 11. показана схема электромагнитной клети КВАРТО, принцип действия которой основан на притяжении валка к полюсам П-образного электромагнита. Для создания максимальных сил притяжения Q полюса 1 электромагнитов расположены между диаметральными плоскостями валков 2 и плоскостью прокатки. Электромагнитное поле создается при пропускании токов J через катушки возбуждения 3. Электромагнитная сила притяжения Ра возникает в валках 2, которые будем называть нажимными, стремясь сократить расстояние 5 (воздушный зазор), нажимной валок 2 давит на рабочий валок 4, который в свою очередь давит на полосу, деформируя ее. Сила притяжения валка к полюсу (N или S) согласно электромагнитной тео-

рии, равна:

а =

В2 S 2 Ц0

(17)

где В -индукция в воздушном зазоре 5, Тл; Б - площадь поперечного сечения зазора 5, через который проходит магнитный поток в полюс, м2; р.о=4ти10"7, Гн/м - магнитная проницаемость вакуума. Удельное усилие притяжения валка 2 к полюсу равна:

в1

т

(18)

В2 ■ S•cos а

Усилие прокатки Ра равно: Ра = 2Q3il • COS а —-, (19)

Mo

где а - угол между векторами сил Q и Ра.

Рис.11 Схема электромагнитной клети КВАРТО с притяжением валка к полюсу

Активное давление, приложенное со стороны рабочего валка к прокатываемой полосе, определим по формуле:

Ра Ра В2 -5-cosa qa =-2— =-. 0 =-, -(Па), (20)

Вп.\г BnyjRp-Ah B„.jRp.6h.fi0 где В„ - ширина полосы, Rp - радиус рабочего валка.

Выражение (20) связывает электромагнитные характеристики системы с reo-

метрическими параметрами очага деформации.

Из выражения (20) следует, что давление рабочих валков на металл можно изменять, увеличивая или уменьшая магнитную индукцию В в рабочем зазоре 5. Изменяя плотность магнитного потока Ф вдоль бочки нажимного валка 2, можно регулировать степень обжатия полосы по ее ширине. Погонная нагрузка на рабочий валок согласно (20) равна:

Ра В2 -5 -СОБ« «•■д- „.В (21)

п г"о п

Для случая холодной прокатки с учетом выражений (16), (20) с учетом упругого сплющивания валков активное давление валка на металл определяется по выражению:

72 «2-5.соза (22), где

Я а = ■

■М.-В,-

ОД МО"4 к-Яр -ДЛ-фдЫО-4-к-ЯрУ

/"о №ст у ^

/ ст - средняя длина магнитопровода; к - истинное сопротивление металла деформации; В5 - индукция в воздушном зазоре 5, Тл.

Выражение (22) связывает параметры очага деформации и сопротивление деформации при холодной прокатке с параметрами электромагнитной системы. Из (20), (22) следует, что регулировать степень обжатия по ширине и длине полосы можно, изменяя силу тока } в катушках возбуждения 3 и магнитную индукцию В вдоль бочки валка 2.

На рис. 12. показана схема электромагнитной клети СЕКСТО (6-ти валковая клеть для холодной прокатки широких полос).

Особенностью этой схемы является отсутствие постоянно включенных электромагнитных катушек возбуждения.

Основная намагничивающая система состоит из магнитопроводов 1 и оксидно-бариевых магнитов 2. Для гибкого управления системой предусмотрены литые магниты 3, катушки 4.

Для того, чтобы включить систему, т.е. создать усилие Ра~Рм |"Н?М2~4(^со5(х, достаточно подать в катушку 4 (положение а) короткий импульс тока соответствующего знака, при котором магнит 3 намагничивается. Если полярность дополнительного магнита 3 совпадает с полярностью магнита 2, то возникает общий магнитный поток Ф0 , который притянет валки 5 к полюсам. Для регулирования величины усилия Ра необходимо через катушки 4 пропустить короткий импульс тока обратного знака, (положение б), при этом возникнет поток нейтрализации Ф„ , который частотно или полностью нейтрализует действие оксидно-бариевых магнитов 2. По командам дат-

чиков, следящих за толщиной и профилем полосы, соответствующая система автоматического управления подает в катушки 4 импульсы различных знаков,

Рис.12 Схема электромагнитной клети СЕКСТО с постоянными магнитами и электроимпульсной системой управления. Эта система имеет большое преимущество, т.к. ее элементы не нагреваются и могут сколь угодно долго находится либо во включенном, либо выключенном состоянии. На рис.13, показана схема электромагнитной клети (вид на валок сверху), снабженная дополнительными П-образными электромагнитами 1, прифланцованных к торцам полюсов 2 магнитопроводов основного электромагнита. Если магнитные потоки Ф0 и Ф„ складываются, то магнитная индукция В0 увеличивается по концам валка 3, соответственно возрастает электромагнитное притяжение (давление) qэ по концам валка (эпюра б) и полоса получает профиль чечевицы (двояковыпуклой линзы).

Если магнитные потоки Ф„ и Фн прямопротивоположны, то магнитная индукция по концам валка уменьшается, а посередине валка увеличивается, соответственно возрастает электромагнитное притяжение посредине валка и полоса получает профиль двояковогнутой линзы (эпюра а). Если магнитные потоки Ф0 и Ф„ имеют различные направления, то на одном

конце магнитная индукция В0 имеет шах, а на другом min (эпюра в) и полоса принимает клиновидную форму. Таким образом, изменяя плотность магнитного потока Ф0 вдоль бочки валка 3, можно регулировать давление валка на металл по ширине полосы, контролируя в процессе прокатки толщину и профиль полосы. Описанные выше электромагнитные системы заменяют электромеханические и гидравлические нажимные механизмы, системы сдвижки валков (в т.ч. CVC) и системы противоизгиба валков.

5U

Не эясатреимп. уиравлите -•t

даШШЛЯБПШ) ЛИТОЙ unrtiaf

г

ПОЛОК!

19

ш

Рис.13 Схема регулирования толщиной и профилем полосы путем изменения плотности магнитного потока по длине бочки валка

Г-„Г

ШШШ

^ ь Ьг

Т

,_f«H»ffttfl с ' е» ттин*. : с

!

L

«5

I]

и

ь

i

Рис. 15. Схема сип, действующих при прокатке полосы на валки, помещенные в магнитном поле.

Рис. 14. Схема клети КВАРТО с использованием явления втягивания валка в катушку возбуждения

На рис.!4 показана схема электромагнитной клети КВАРТО, принцип действия которой основан на втягивании валка 1 в катушку 2, уложенную в магни-топровод 3, в прямоугольном пазу которого смонтированы рабочие валки 4, имеющие возможность совместно с валками 1 перемещаться по вертикали. Катушки 2 выполнены из сверхпроводящего материала. Для обеспечения сверхпроводимости предусмотрена криогенная система 5. Положительной особенностью данной схемы является ее компактность, что позволяет при проектировании вписываться в габариты существующих клетей с аналогичными техническими характеристиками.

2.2. Расчет валка, нагруженного по всей длине электромагнитным давлением. На рис.15, изображена схема сил, действующих на валки при прокатке полосы, нагруженных активной, равномерно распределенной вдоль бочки валков, нагрузкой qa . Усилие прокатки Ра является активной результирующей силой равномерно распределенной нагрузки qa. (20)

Это усилие Ра кинематически не связано с элементами клети и не является функцией реактивного давления металла на валки цм . Наоборот, реактивное давление, приложенное к валкам со стороны металла является функцией активного давления ца: ям= / (23)

Так как шейки валков свободно перемещаются в вертикальной плоскости и не связаны жестко со станиной, то Рш=0, откуда следует, что вертикальные упругие деформации станины, подушек, подшипников равны нулю, а изгиб валков минимален. Таким образом, толщина полосы И оказывается зависящей только от давления ца (или Ра), т.е.: Ь=\у(яа), Ь=Ч'(Ра) (24),

что значительно облегчает процесс регулирования и повышает точность прокатки.

В соответствии с рис.15, валки, прижатые друг к другу с электромагнитным давлением свободно катятся по поверхности полосы, деформируя последнюю. При этом усилие прокатки компенсируется внутри валков и не передается на станину и другие элементы клети.

С учетом вышесказанного, прокатный валок можно рассматривать как балку, лежащую на упругом основании, которым в данном случае является прокатываемая полоса, характеризуемая модулем деформации и коэффициентом Пуассона.

Дифференциальное уравнение четвертого порядка упругой линии валка запишется в виде:

Ш" у 1&* + Рх = у/х (25)

где Е1 - жесткость валка; у - вертикальное перемещение нейтральной оси валка; рх - распределенная реакция со стороны металла; - заданная активная нагрузка (в нашем случае ях=Ра/Вп).

Чем жестче валок (Ш) и меньше сопротивление деформации материала полосы, тем больше по краям валка реактивные давления; чем больше гибкость валка и больше сопротивление деформации, тем больше реактивные давления в средней части валка.

Таким образом, значения реактивных давлений на валок со стороны прокатываемой полосы, а следовательно и величину ее деформации по высоте (и ширине при горячей прокатке) можно изменять в зависимости от ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРА И РАСПОЛОЖЕНИЯ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ, которой является в нашем случае электромагнитное усилие прокатки Ра, определяемое формулой (19).

Это дает возможность в процессе прокатки непрерывно регулировать толщину, профиль и планшетность полосы, изменяя величину и точку приложения активной нагрузки Ра вдоль бочки валка.Показано, что при большой жесткости валка реактивное давление по краям полосы больше, чем в середине и валок изгибается выпуклостью вовнутрь, т.е. профиль выходящей из клети полосы имеет форму двояковогнутой линзы. Уменьшая плотность магнитного потока посередине валка, можно получить прямоугольный профиль или профиль двояковыпуклой линзы. При малой жесткости валка, он будет изгибаться наружу и полоса будет иметь профиль двояковыпуклой линзы. В этом случае следует уменьшить плотность магнитного потока по краям валка и профиль полосы получит прямоугольную форму или форму двояковогнутой

линзы. Валок, прокатывающий металл без нажимных винтов, испытывает значительно меньшие изгибающие моменты, перерезывающие силы, углы поворота и прогибы. Наличие перерезывающих сил на опорах валков в существующих конструкциях клетей часто вызывает разрушение подшипников. В предлагаемых конструкциях прокатных клетей шейки валков свободны от нагрузок в вертикальной плоскости, что значительно увеличивает их надежность и стойкость.

¿А \0 А1

* С О í V-Ü

Рис. 16 Схема электромагнитной клети КВАРТО с электромагнитной катушкой охлаждаемой гелием (поперечный разрез)

Так как усилие прокатки не должно превышать допускаемого усилия, рассчитанного из условия прочности валка на изгиб, то в клетях КВАРТО без нажимных механизмов рабочие валки можно применять меньшего диаметра, тем самым увеличивая давление валка на металл. Поэтому в электромагнитных клетях при той же величине усилия прокатки можно прокатывать полосы или на меньшую толщину или с большим значением сопротивления дефор-

мации. При прокатке полос в электромагнитных клетях относительная продольная и поперечная разнотолщинность, профиль и планшетность полосы контролируются и регулируются путем подачи в катушки возбуждения коротких электрических импульсов.

На рис.16 представлена схема электромагнитной прокатной клети КВАРТО с усилием прокатки Р=0,55 МН, проектируемой на ОАО "Северсталь" для производства холоднокатаной ленты.

Прокатная клеть КВАРТО состоит из двух втяжных электромагнитов, установленных симметрично относительно плоскости прокатки между диаметральными плоскостями валков. Клеть содержит: магнитопроводы 1, катушки возбуждения 2 и 3, стойки 4, гайки 5, основание 6, направляющие 7, валки нажимные 8, валки рабочие 9, подушки 10, подушки 11, гидроцилиндры 12, криогенную систему охлаждения обмоток 13. Привод валков и источник питания катушек условно не показаны. Валки 8 установлены в кольцевом пазу магнитопроводов 1 с зазором "б" для свободного перемещения в вертикальной плоскости 0-0 в направляющих 7. Рабочие валки 9 расположены в пазах магнитопроводов 1. Магнитопроводы 1 смонтированы на стойках 4 и жестко закреплены на них с помощью, например, гаек 5. Стойки 4 соединены с основанием 6. Стойки, направляющие, подушки валков и основания выполнены из немагнитных материалов. Вертикальные перемещения подушек валков обеспечиваются за счет зазоров "А" между направляющими и подушками.

Для регулировки величины магнитной индукции вдоль бочек валков предусмотрены катушки 3. Для подъема и опускания валков 8, 9 предусмотрены гидроцилиндры 12.

Разнотолщинность по длине полосы устраняется путем изменения тока в катушках 2, разнотолщинность по ширине полосы устраняется путем подачи тока в катушки нейтрализации 3, с помощью которых можно усилить поток Ф дополнительным потоком Фн или ослабить в центре нажимного валка 8, меняя их полярность.

2.3. Результаты экспериментов по прокатке образцов полос на действующей модели электромагнитной прокатной клети (ЭМК).

Прокатка образцов на электромагнитной клеш осуществлялась при токах в катушках возбуждения JK=50, 100, 150, 200, 250, 350 А. Установлено, что средняя вытяжка при увеличении обжатия по длине образцов, прокатанных в электромагнитной клети равна PcP3M=l,35, а в клети с на-

жимными винтами рср н,=1,63, соответственно, относительные колебания вытяжки по проходам ЛЦэМ=5,6% и Ацкв=11% (по 4-ем первым проходам), откуда следует, что при прокатке полос в электромагнитной клети можно ожидать уменьшение неравномерности деформации по длине полосы примерно на 15% по сравнению с прокаткой в клети с нажимными механизмами. Более плавный рост наклепа при холодной прокатке в электромагнитной клети обеспечивает меньшую продольную разнотолщинность полосы и улучшает механические показатели проката. Например, при прокатке полосы 5,5x1460 на 2,5x1640 с суммарным обжатием 54%, колебания вытяжки составляют 8,6% (стан 1700 ОАО "Северсталь" 5 кл.).

Показано, что неравномерность деформации по ширине полосы при прокатке в модели электромагнитной клети значительно меньше, чем при прокатке в модели в нажимными винтами.

Исследование зависимости мощности прокатки образцов проволоки 01,26 мм в модели электромагнитной клети и в модели клети с нажимными винтами показало, что по мере увеличения наклепа и роста суммарной деформации, разница между мощностями, затрачиваемыми непосредственно на прокатку, существенно возрастает (~ в 1,5 раза). Примерно в 1,1 раза уменьшается полная мощность прокатки. Уменьшение полной мощности при прокатке в ЭМК объясняется тем, что при размещении валков в магнитном поле, оси валков строго ориентируются в плоскости магнитного потока и поэтому испытывают меньшие перекосы при прокатке. Уменьшение мощности, непосредственно затрачиваемой на прокатку, происходит за счет повышения пластичности металла под воздействием электромагнитного поля, а также за счет уменьшения упругих деформаций элементов клети (~ на 40%) и потерь на преодоление трения в подшипниках.

Результаты измерения времени перемещения валков в электромагнитном поле при различных исходных расстояниях (2,4; 3,4; 3,9 мм) и различных токах (Ji=240; J2=100; J3=50 А) показали, что среднее время сближения валков при напряженности поля Н5о=4,2-104 А/м равно т50=0,07 с, при Н100=8,4-Ю4 А/м т1(Х)-0,053 с, при Н24о=2-Ю5 А/м Т24о=0,035 с, а скорость перемещения соответственно равна: и50=55,7 мм/с, и10о=73,6 мм/с, о240=92 мм/с. Эти скорости значительно превышают скорость перемещения штоков тюо=0,053 с, при H24O=2-I05 А/м т24о=0,035 с, а скорость перемещения соответственно равна: и50=55,7 мм/с, Uioo=73,6 мм/с, i)240=92 мм/с. Эти скорости значительно превышают скорость перемещения штоков цилиндров гидронажимных устройств (ГНУ) в существующих конструкциях прокатных клетей (2,5+3 мм/с).

2.4. Исследование продольной разнотолщинности образцов полос из медной шинки 4x1,35 мм в модели электромагнитной клети и в модели с нажимными механизмами.

В таблице 7 представлены результаты экспериментов по прокатке образцов медных полосок 4x1,35 мм.

Для сравнения была осуществлена прокатка в лабораторной действующей клети с нажимными винтами (образец №12, табл. 7).

Таблица 7. Результаты исследований относительной продольной разнотолщинности образцов материалов1 на модели.

Таблица 7

№ п/п Исходный образец (подкат) После прокатки в модели электромагнитной клети

Ьос, мм А0 с[), мм 1оср, % Ькср,мм Акср, мм ЛксР,%

1 1,27 0,003 0,24 1,06 0,012 0,94

2 1,27 0,009 0,70 1,08 0,003 0,27

3 1,27 0,006 0,47 1,08 0,000 0,000

4 1,28 0,009 0,70 1,07 0,002 0,19

5 1,35 - - 1,09 +0,003 -0,003 +0,28 -0,39

6 1,35 - - 1,05 +0,007 -0,000 +0,65 -0,00

7 1,35 - - 1,06 +0,008 -0,005 +0,83 -0,48

8 1,33 0,018 1,35 1,13 0,005 0,40

9 1,32 0,009 0,70 1,13 0,005 0,40

10 1,33 0,017 1,30 1,12 0,011 1,00

11 1,31 0,011 0,80 1,12 0,009 0,80

Лабораторная клеть с нажимными винтами

12 | 1,27 0,014 1,09 1,08 0,013 1,2

Анализ таблицы показывает, что при прокатке в электромагнитной клети продольная относительная разнотолщинность полосы должна уменьшаться.

2.5. Исследование возможности регулирования толщины по ширине полосы путем изменения величины магнитной индукции вдоль бочки

валка

Важным условием надежного регулирования профиля, поперечной разно-

толщинности полосы при прокатке в ЭМК является возможность плавного изменения магнитной индукции В, а следовательно, и электромагнитного давления ца вдоль бочки валка. При изменении электромагнитного давления ца неизбежно будет изменяться давление валка на металл, а следовательно, вытяжка и

обжатие по ширине полосы.

В,Тп

П\

Т

£исЛ.7Характер изменения ин-дукцииД и профиля полосы при р.^отньштоложсниях вектора дополнительной иццукции Вд, вдоль бочки валка

Виа18 Зависимость индукции В, и толщины полосы от дополнительной индукции В& и места ее действия на длине бочки валка

Дня изучения возможности изменения магнитной индукции вдоль бочки валка на модели электромагнитной клети предложен способ регулирования с помощью дополнительного магнита с индукцией Вда вектор которой перпендикулярен вектору В основного электромагнита. На рис.17 представлены графики распределения индукции В вдоль бочки валка в зависимости от положения дополнительного магнита и направления вектора индукции Вд (Направление прокатки внутрь рисунка) и ожидаемый профиль полосы шириной В„ после прокатки в данной клети. На рис.18 представлены результаты исследований изменения индукции В вдоль бочки валка при расположении вектора Вд перпендикулярно плоскости прокатки в т. 1-5, т.е. параллельно вектору В.

Показано, что перемещение вектора индукции Вд вправо или влево от оси

прокатки ведет к перераспределению основного потока В, а, следовательно, к изменению активного давления вдоль бочки валка, т.е. к изменению профиля полосы.

Показаны зависимости индукции В и толщины Ьк от места расположения дополнительного магнитного поля с индукцией Вд, при помощи которого можно регулировать профиль и толщину полосы по ширине в процессе прокатки, т.е. управлять точностью прокатки бесконтактным способом, без нажимных механизмов, систем противоизгиба и горизонтальной сдвижки валков.

Основы расчета энергосиловых параметров электромагнитной прокатки. В соответствии с формулами (16) и (17) и рис. 12 требуемая индукция в зазоре 8 равна: , где (26) площадь поперечного сечения зазора, через который проходит магнитный

0 1-К-П:•£>

поток о =--- (27), где Ьв и О соответственно длина и диаметр

нажимного валка, К = 0.8 - коэффициент плотности охвата полюсом ( Л^ и 5 ) электромагнита поверхности валка.

и Р Т „ С-6* • <?) . Вт 'К , Вв 'К Намагничивающая сила г0 = • СОТ =--1---1--(28),

Мо Мап Ме

где /лт и ¡Ле - магнитная проницаемость материала магнитопровода и валка, 1т и /в - пути магнитного потока по магнитопроводу и валку, 3 - ток, со -

число витков в катушке.

Вертикальная составляющая усилия £) равна:

йэ = В1-= • 5 • //о (29).

2//0 28

Электромагнитное усилие притяжения нажимного валка, равное усилию прокатки равно Рэ = (./ • Сд)\ ■ Б • СОБ а • ¡ий / д2 (30), где а - угол между силой () и усилием прокатки. Согласно теории прокатки, усилие прокатки равно:

Р„ — ■ Пр •пн-Ъп-ст51, (31).

где пъ,пр,пн,пд,пч - соответственно коэффициент влияния внешних зон,

коэффициент, учитывающий влияние среднего главного напряжения, коэффициент, учитывающий влияние наклепа, коэффициент подпора, скоростной

коэффициент, Ьп - ширина полосы, Ак - абсолютное обжатие полосы, О5 предел текучести металла до прокатки, Ир - диаметр рабочего валка.

Решая

совместно

(30)

(31)

j2=(n3-пр ■п5 -и, ■ пи ■ J0.5 ■ Ah-Dp)-S?-crsi

(о S • cos a • ju0)

получим: (32).

Ah

где 3 - 23 + А {7 +Д[/ - — -суммарный воздушный зазор на пути

I стих! н р 2

магнитного потока Ф, создаваемого катушкой 3 (рис. 12), ¿'га;п - минимальный воздушный зазор между полюсом и поверхностью нажимного валка при соприкосновении валков в плоскости прокатки, А11н - максимальный износ

нажимного валка перед перевалкой, А С/ - максимальный износ рабочего валка перед перевалкой.

Умножив обе части выражения (32) на со 2 , получим:

¿2

J2 - со2 = Из - и» - Яд '"у • с>2 cos а • //0 • S

(33)

Тогда требуемая величина напряженности магнитного поля равна:

I--1>/2

HiS = (j-aj/d\ =

<34)

cos a- fjQ-S

Обозначив выражения в скобках через А0 и учтя, что Ah — flQ, где h0-толщина полосы до прокатки, получим:

Н,5 = 4

_ л 0,5 ^0,25 ,0,5

Л0 =л3 -л¥-я, -и, ■ni

м

JR-K

(35), где

. - параметр прокатки для данной

cos а • • S

клети, где jR - радиус нажимного валка (для клети ДУО i? - радиус рабочего

валка).

Требуемое значение тока в катушке:

1

СО

n3-nv-nfi-ns-nH^Rp-h0

-10,5

cosa ■ ¿i0 -S

или

со

,0.5.^0,25. ,,0,5 _0,5

А • А

0.5 _&,£

У»"* .

(37)

13.2-йг

Р-ИШТс

Рис.19. Номограмма для определния напряженности магнитного поля в рабочем зазоре между нажимным валком и полюсом электромагнита (Пример: А0=228,8=0,25, Ьл=1,2м, <тво=3000Мпа, 0р=500мм, И0=2мм, 8=1,5м2

С учетом двухстороннего расположения электромагнитов относительно плоскости прокатки получим выражения для определения полной мощности электромагнитных катушек для клетей ДУО и КВАРТО:

ш -^.^0.5 ~ о

СО

„0,25 г.0,5 „0,5 с 1Л-3 тг

£ -о„ ■ ст$1 ■ ¿>, хЮ % Квт,

.0,5

(38)

где и - напряжение источника тока, В.

Из выражений (35) , (36) и (37) следует, что напряженность магнитного поля, ток и потребляемая катушками мощность тем больше, чем больше тре-

Я_ л 0,5 0,25 10,5 0,5 .

, А/м (39)

буемое усилие прокатки с учетом выбранного режима обжатий, ширины и материала полосы, а также величины воздушного зазора. Формулы (35), (37) и (38) дают возможность определить значения «/ и IV, необходимые для проведения магнитного потока через воздушный зазор 5). С учетом проведения магнитного потока по магнитопроводу и валку суммарная напряженность поля:

'1Ы

+ ^х - + Ги + , где 3т, /в - токи, необходи-

мые для получения дополнительных потоков, \¥т, \¥в - мощности, необходимые для получения дополнительных потоков.

.Р0 = • й)^ = Н2 • ¿»^ - намагничивающая сила, необходимая для полного магнитного потока Ф0.

С использованием формулы (35) построена номограмма для определения напряженности магнитного поля в рабочем зазоре, (рис.19)

В результате теоретического исследования прогибов рабочих валков в электромагнитной клети получено выражение для суммарного прогиба валка:

у 3-9315 Рд_ Вш агх 'р-^Ор

2 13440 +38,5аг Ьв к-Е^-Ъ

.аГ#-2*3+#41+1Г - - (40)

"724* ' * Г ^7-420^ + 420^2-448(^-0'5)6

ра {1в~впх?-агх-[}-м1^) , Зч

16 24 ■л-Е0-Ь-Вги * )*

где Р - усилие прокатки; - диаметр рабочего валка; И - начальная

(X г О

толщина полосы; И^ - конечная толщина полосы; АИ - абсолютное обжатие; ^ - относительное обжатие; (7 $ - сопротивление деформации; - длина бочки валка; Г)ц - диаметр нажимного валка; Ву^. - исследуемая ширина полосы; ^ = X/ В^ .

3. Расчет экономии оборудования и материалов при внедрении электромагнитных клетей на 5-ти клетевом стане холодной прокатки

(ОАО "Северсталь") (в ценах 1997 г.)

По оценкам специалистов ПХЛ ОАО "Северсталь" и результатам экспериментальных исследований на модели электромагнитной клети уменьшение расхода валков и подшипников, отсортировка по дефектам после внедрения ЭМК на стане составит не менее 20%, а ожидаемая экономия составляет около 10 млн. руб. или около 1 млн.долларов США (в ценах 1997 г.). Применение электромагнитных клетей позволит получить:

1. Расширение сортамента толщин прокатываемых полос.

2. Устранение бочкообразного профиля полосы.

3. Значительное уменьшение изгибающих моментов, перерезывающих сил, углов поворота и прогибов валков, снижение отсортировки готового проката по разнотолщинности, неплосткосности и дефектам "волна-короб", "рябизна" и др.

4. Уменьшение » на 40% упругих деформаций элементов клети за счет компенсации усилия прокатки внутри валков. Отсутствие влияния толщины масляного клина в подшипниках ПЖТ при изменении скорости и усилия прокатки на профиль и толщину полосы.

5. Возможность регулирования профиля и толщины полосы с помощью электромагнитных сил.

6. Уменьшение мощности главного привода « на 8-10% за счет уменьшения энергетических потерь на преодоление трения в подшипниках, упругих деформаций элементов клети и более устойчивого положения валков в магнитном поле.

7. Упрощение конструкции клети за счет исключения нажимных механизмов, механизмов осевой сдвижки и противоизгиба валков.

8. Возможность прокатки полос с более высокими механическими характеристиками.

9. Уменьшение расхода валков и подшипников.

С учетом исследований и результатов экспериментов в данной работе предлагается новая схема производства полос высокого качества. Прокатку горячекатаных полос предлагается осуществлять в электромагнитных станах горячей прокатки. Перед холодной прокаткой с горячекатаной полосы предлагается удалять окалину в агрегатах абразивно-порошковой очистки роторного типа, а холодную прокатку широких полос осуществлять в электромагнитных станах холодной прокатки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании анализа существующих способов поверхностной обработки и прокатки широких полос (травление, процесс - АПО, прокатка полос на широкополосных станах горячей и холодной прокатки) показана актуальность ис-

пользования вместо непрерывно-травильных агрегатов или в их составе агрегатов абразивно-порошковой очистки поверхности полос от окалины роторного типа (АПО РТ), повышающих эффективность очистки и обеспечивающих высокое качество поверхности перед последующей холодной прокаткой. Показана актуальность использования магнитных полей при очистке поверхности полосы от окалины с помощью ферромагнитных абразивных порошков для увеличения коррозионной стойкости горячекатаного металла.

2. Показана актуальность использования при прокатке магнитных полей для увеличения пластичности металла при деформировании, снижения нагрузки на привод клети, уменьшения изгибающих моментов и прогибов, упрощения конструкции, уменьшения упругих деформаций элементов клетей.

3. Проведены исследования и разработана новая технология очистки поверхности полос от окалины с помощью ферромагнитных абразивных порошков в агрегатах АПО РТ с применением магнитных полей.

4. Разработаны новые способы очистки полос и устройства для их осуществления.

5. Выполнен рабочий проект агрегата АПО РТ для Верх-Исетского металлургического завода.

6. Разработана инженерная методика расчета энергосиловых параметров процесса АПО РТ.

7. Показаны особенности и преимущества очистки полос от окалины в агрегатах АПО РТ, имеющих наиболее оптимальные технологические и конструктивные параметры по сравнению с существующими установками, реализующих процесс АПО.

8. Разработана методика определения деформирующих усилий для обеспечения очистки полосы от окалины.

9. Показано, что применение магнитных полей при очистке ферромагнитными порошками повышает ее эффективность очистки примерно в 2 раза, а при частичной очистке с последующим травлением в 3 раза.

10. Установлено, что скорость травления нержавеющих сталей после частичной обработки ферромагнитным абразивным порошком фракции 315 мкм повышается в 4-5 раз.

11. Показано, что в разработанных конструкциях по сравнению с существующими используется при очистке в оборотном цикле примерно в 10 раз меньше абразивного порошка, а детали установки надежно защищены от абразивного износа.

12. Разработаны способы закрепления абразивного порошка на упругой основе, что позволяет производить очистку бсшее эффективно при небольшом д авлении порошка на полосу.

13. Создана конструкция действующей модели АПО РТ с применением объемной вибрации абразивного порошка в зоне очистки. Установлено, что в случае применения вибрации длина контакта порошка с полосой, необходимая для

полного удаления окалины, уменьшается примерно в 1,8 раза по сравнению с очисткой без вибрации. Показано, что применение объемной вибрации полосы в зоне очистки, позволяет получать на поверхности полосы микрорельеф без продольных рисок и канавок и более равномерную шероховатость по всей поверхности, а необходимое для очистки давление порошка на полосу снижается в среднем с 2,5 МПа до 0,5 МПа.

14. Проведены экспериментальные исследования и разработан способ прокатки широких полос в конструкциях прокатных клетей с применением магнитных полей.

15. Разработана инженерная методика расчета магнитных характеристик клетей при взаимодействии прокатных валков в магнитных полях.

16. Разработаны схемы электромагнитных клетей ДУО, КВАРТО, СЕКСТО, приведены примеры расчета основных энерго-силовых параметров горячей и холодной прокатки в клетях с применением электромагнитных полей.

17. Разработаны схемы и способы регулирования усилия прокатки, толщины и профиля полосы при помощи дополнительных магнитных систем.

18. Показано, что изгибающие моменты и прогибы валков в электромагнитных клетях значительно меньше, чем в существующих прокатных клетях с нажимными механизмами. Показано, что прокатка в электромагнитных клетях может осуществляться с более высокой точностью без применения электромеханических и гидравлических нажимных устройств, механизмов проти-воизгиба и горизонтальной сдвижки валков.

19. Разработана принципиальная схема конструкции прокатной клети на усилие прокатки 0,5 МН для прокатки ленты с участием прокатного бюро УГМ ОАО "Северсталь" и "ВНИИ Элекгромаш" с применением сверхпроводников и криогенной системы охлаждения. Предложена новая стратегия производства горячекатаного и холоднокатаного листа, позволяющая обеспечить значительное улучшение качества проката при одновременном снижении издержек на его производство.

20. Представлен расчет экономии оборудования и материалов при внедрении в прокатное производство ЭМК. Показано, что при использовании агрегата АПО РТ вместо HTA экономический эффект составит не менее 1,5 млн. долларов США, а внедрение электромагнитных клетей на одном пятиклетевом стане холодной прокатки даст экономию около 1 млн. долларов США в год..

Таким образом, теоретически и экспериментально показана возможность замены непрерывно-травильных агрегатов на агрегаты абразивно-порошковой очистки роторного типа и использования электромагнитных клетей для прокатки широких полос. Это позволит снизить издержки производства, расширить сортамент продукции, улучшить ее качество и повысить

конкурентоспособность на внешнем и внутреннем рынках.

Результаты работы защищены авторскими свидетельствами и патентами, внедрены в действующие модели, в проектно-конструкторскую документацию, а также в учебный процесс при выполнении лабораторных и практических работ, курсовых и дипломных проектов, апробированные на производстве.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: 1 .Делюсто Л.Г., Гарбер Э.А, Липухин Ю.В., Иводиггов А.К, Тишков В.Я., Во-дянов К.В., Жуков Ю.К., Пименов А.Ф., Федорков Г.С. и Яскевич Ф.С. Устройство для очистки от окалины горячекатаных цилиндрических изделий: A.C. СССР № 1233347, МКИ В21 в 45/04, не публ.

2.Деяюсто Л.Г., Гарбер Э.А., Арсеньев В.В., Евтеев О.Н., Максютов Р.Г., Бонами В.М. и Панфилова Т.М. Устройство для очистки цилиндрических длинномерных изделий ферромагнитным абразивным порошком. A.C. СССР № 1656743 МКИ В08 в 1/02, не публ.

3.Делюсто Л.Г., Гомельский А.Г., Гарбер Э.А., Арсеньев В.В., Семенюк В.Д., Бонами В.М., Максютов Р.Г., Жуков ЮХ, Королев Л.В. и Евтеев О.М. Линия очистки и волочения проволоки A.C. СССР № 1264458 МКИ В21 с 3/14 не публ.

4.Гарбер Э.А., Долженков Ф.Е., Делюсто Л.Г., Липухин Ю.В., Савранский К.Н., Коновалов Ю.В., Парамошин А.П., Жуков Ю.К., Тишков В .Я., Данилов Л.И., Дмитров Л.Н., Лебедев В.Н., Мамедов Ф.И. и Секарев Э.Г. Устройство для очистки поверхности толстых листов от окалины. A.C. СССР №1272556 МКИ В21 В 45/04, не публ.

5.Липухин Ю.В., Иводитов А.Н., Данилов Л.И., Делюсто Л.Г., Гарбер Э.А., Субботин А.Н. и Абраменко В.И. Устройство для очистки поверхности полосы от окалины. A.C. СССР №1415548, МКИ В21 В 45/04, не публ.

6.Делюсто Л.Г., Липухин Ю.В., Гарбер Э.А., Данилов Л.И., Субботин А.Н. и Тишков В.Я. Устройство для очистки поверхности проката от окалины. A.C. СССР №1319390 МКИ В21 В 45/04, не публ.

7.Делюсто ЛГ., Липухин Ю.В., Гарбер Э.А., Данилов Л.И. и Субботин А.Н. Устройство д ля очистки полос от окалины. A.C. СССР № 1417949 МКИ В21В 45/04, не публ.

8.Семенюк В.Д., Шлиомензон Б.Х., Гомельский А.Г., Спирин В.Я., Делюсто Л.Г. и Калита С.Д. Устройство для очистки катанки от окалины. A.C. СССР №1568402 МКИ В21 С 3/14, не публ.

9.Патент Германии №3490715 кл. В21 В 45/06. Устройство для очистки поверхности широких полос от окалины. В.И.Абраменко, Э.А.Гарбер, Л.Г.Делюсто и др.

10.Патент Англии №2173722 кл. В21 В 45/06. Устройство для очистки поверхности широких полос от окалины. В.И.Абраменко, Э.А.Гарбер,

Л.Г.Делюсто и др.

11.Патент Англии №2202770 кл. В21 В 45/06. Заявка PCT/SU 86/00079. Устройство для очистки поверхности проката от окалины. Л.Г.Делюсто, Ю.ВЛипухин, Э.А.Гарбер и др.

12.Патент Швеции № 450214 В21 В 45/06. Устройство для очистки поверхности широких полос от окалины.В.И.Абраменко,Э.А.Гарбер,Л.Г.Делюсто и др.

13.Патент Франции №2568497 В21 В 45/06. Устройство для очистки поверхности широких полос от окалины.В.И.Абраменко, Э.А.Гарбер, Л.Г. Делюсто и др. М.Патент Австралии №572576 В21 В 45/06. Устройство для очистки полосы от окалины. В.И.Абраменко, Э.А.Гарбер, Л.Г.Делюсто и др.

15.Патент Австрии №387162 В21 В 45/06. Устройство для очистки поверхности широких полос от окалины.В.И.Абраменко,Э.А.Гарбер,Л.Г.Делюсто и др.

16.Патент Швеции №461322 В21 С 43/04. Заявка PCT/SU 86/00074. Устройство для очистки поверхности полос от окалины. Ю.ВЛипухин, А.Н.Иводитов. Л.Н.Данилов, Л.Г.Делюсто и др.

17.Патенг Японии №40645 В21 В 45/06. Заявка PCT/SU 84/00029. Устройство дня очистки поверхности широких полос. В.И Абраменко, Э АГарбер, Л.Г. Делюсто и др.

18.Патент Австралии №588377 В21 В 45/06. Заявка PCT/SU 86/00074. Устройство для очистки полосы от окалины. Ю.В.Липухин, А.Н.Иводитов. Л.Н.Данилов, Л.Г.Делюсто и др.

19.Патент Австралии №586901 В21 В 45/06. Заявка PCT/SU 86/00079. Устройство для очистки проката от окалины. Л.Г.Делюсто, Ю.ВЛипухин, Э.А.Гарбер, Л.Н.Данилов и др.

20.Патент Англии №2202474 В21 В 45/06. Заявка PCT/SU 86/00074. Устройство для очистки поверхности полос от окалины. Ю.В.Липухин, А.Н.Иводитов. Л.Н.Данилов, Л.Г.Делюсто и др.

21.Л.Г.Делюсто. Устройство Для односторонней абразивно-порошковой очистки полосы от окалины. A.C. СССР №1482014 МКИ В21 В 45/06, не публ. (1986 г.)

22.Л.Г. Делюсто, В.Н. Мочалин, В.В. Туркин, В.Н. Аксенов и А.В.Мишенькин. Способ удаления окалины с поверхности тонких полос. A.C. СССР №155951, МКИ В21 В 45/04, не публ. (1988 г.)

23.Л.Г. Делюсто, В.Н. Мочалин, В.В. Туркин, В.Н. Шахтарин и О.Н Степанов. Устройство для удаления окалины с поверхности тонколистового проката. A.C. СССР №1538243, МКИ В21 В 45/06,45/06 не публ. (1988 г.)

24.Л.Г. Делюсто. Опытно-промышленная установка абразивно-порошковой очистки поверхности полос от окалины роторного типа. (Доклад) Рекоменда-

ции Всесоюзного научно-технического семинара "Бескислотные способы удаления окалины" (14-15 июня 1989 г.) г. Днепропетровск. 25 .Л.Г. Делюсто, В.Н. Углов. Линия очистки и волочения проволоки. Патент РФ №2110343 МКИ В21 С 1/00, 43/04. Заявка 03.06.96 г. Опубл. 10.05.98 г. Бюлл №13.

26Л.Г.Делюсто, Э.А. Гарбер, В.А.Монид. Современные методы удаления окалины с поверхности металла.Учебное пособие,Л, 1989 г, СЗПИ. 27.Э.А. Гарбер, Л.Г. Делюсто, А.Ф. Пименов, Ю.К. Жуков. Энергосиловые параметры и тепловой режим процесса абразивно-порошковой очистки проката от окалины. Повышение эффективности металлургического производства. Межвузовский сборник, СЗПИ, Л., 1983 г.

28.Л.Г. Делюсто, М.Л. Делюсто Определение деформирующих усилий при абразивно-порошковой очистке листового проката от окалины. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия №5, 1996 г.

29.Делюсто Л.Г. Патент РФ №2033290 В21 С 1/00. Линия очистки и волочения проволоки. Заявка 10.09.91, опубл. 20.04.95 г. Бюлл. №11.

30.Л.Г.Дедюсто, КХП.Шалашов, О.К.Евтеев, Г.С.Самойлов, Н.В.Елецкий A.C. СССР №499912 Способ бесфильерного волочения стальной проволоки МКИ В21 С 1/00, опубл.25.01.76, бюлл. №3.

31 Л.Г.Делюсто, Е.У.Гершович. A.C. СССР № 1439816. Способ прокатки МКИ В21 В 1/00. Заяв. 06J03.87 г., не публ.

32.Л.Г.Делюсго Прокатка листов и полос в клетях с самокомпенсирующими валковыми системами. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии, связанные с обработкой металлов давленем" Владимирский государственный университет, г. Владимир, 1996 г.

33.В.И.Абраменко, Г.Л.Кочи, А.М.Сорокин, Л.Г.Делюсто и др. Прокатная клеть. Патент №2138346,27.09.99 г. Бюл. №27.

34.В.И.Абраменко, ГЛ.Кочи, А.М.Сорокин, Л.Г.Делюсто и др. Патент № 2141880 от27.11.1999 г. Прокатная клеть. Бюл. №33.

35.В.И-Абраменко, ГЛ.Кочи, А.М.Сорокин, Л.Г.Деяюсто, Антонов В.Ю., Горелик П.Б., Кловский В Л. Патент № 2139153 от 10.10.1999 г. Способ прокатки. Бюл. №28.

36.В.И.Абраменко, ГЛ.Кочи, А.М.Сорокин, Л.Г.Делюсто и др. Способ продольной прокатки и клеть дня его осуществления. Патент №2146971, 27.03.2000 г., Бюл. №9.

37.А.В.Артюшечкин, В.И.Абраменко, ГЛ.Кочи, А.М.Сорокин, Л.Г.Делюсто. Прокатная клеть. Заявка на выдачу патента Российской Федерации №99101720 от 04.02.1999 г. Патент РФ №2149718,27.05.2000 г., Бюл. №15.

38.А.В.Артюшечкин, В.И.Абраменко, Г.Л.Кочи, А.М.Сорокин, Л.Г.Делюсто. Прокатная клеть. Заявка на выдачу патента Российской Федерации №99101721 от 04.02.1999 г.

39.Л.Г. Делюсто. Оптимизация процесса удаления окалины с поверхности широких полос в установках АЛО роторного типа. Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах. Материалы конференции. Череповец, 1999 г. с. 106-108.

40 ЛГ. Делюсто. Способ удаления окалины с поверхности широких полос и устройство для его осуществления. Заявка на вьщачу патента РФ № 99110923 от 02.06.1999г.

41 .Л.Г. Делюсто. Абразивно-порошковая очистка от окалины. Вестник машиностроения №10,1999 г.

42.Л.Г. Делюсто, А.И. Никифоров. Прокатная клеть с самокомпенсируемой валковой системой. Сборник статей Первой областной межвузовской научно-практической конференции 25-26 мая 2000 г. г. Вологда.

Подписано к печати 01.08.2000 г. Заказ № 213 Усл.печ.л. 2,0 Тираж 100 экз. НП "Агентство Городского Развития" 162627, Вологодская область, Череповец, бульв. Доменщиков, 32 Информационный отдел