автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Теория, конструкции и методы обеспечения надежности печных рольгангов металлургического оборудования

Р Г Б ОД

На правах рукописи

8 ИЮН 1998

УДК 669.1.042.621.867.6

ЛЯХ Александр Павлович

ТЕОРИЯ, КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧНЫХ РОЛЬГАНГОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.04.04 - "Машины и агрегаты металлургического производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Акционерной холдинговой компании "Всероссийс кий научно-исследовательский и проектно-конструкторский институ металлургического машиностроения им. акад. А.И. Целикова"

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук. Заслуженный деятель науки и техники, профессор

Доктор технических наук, профессор

Доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие:

ОАО "Северсталь"

Защита состоится "23_" июня_1998 г. в 14 час. 30 мин.,

на заседании диссертационного совета Д169.14.01 в ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ по адресу: 109428, Москва Ж-428, Рязанский проспект, 8-А.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан мая_1998 года.

Справки по телефону - 174-37-26.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук ст. н.с.

Кривандин В.А. Синев А. В.

Синицкий В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных направлений развития металлургии является повышение качества проката, улучшение его механических и физических свойств. Большими возможностями в улучшении механических свойств металла обладают термическая и термомеханическая обработка проката. Для нагрева металла под эту обработку широкое распространение получили термические печи с роликовым подом, как наиболее экономичные и высокопроизводительные. В настоящее время в России эксплуатируются более 200 таких печей, в которых обрабатывается более 50% выпускаемого проката.

Применяют проходные печи с рожковым подом и для нагрева металла под прокатку. Предстоит широкое внедрение комплексов, обеспечивающих непрерывные технологические процессы по производству полосового и сортового проката. Такой комплекс включают в себя сталеплавильный агрегат, МНЛЗ, нагревательно-подогревательную печь, прокатный стан и адьюстаж. Нагревательно-подогревательная печь является связующим звеном между одной или двумя МНЛЗ и прокатным станом.

Печной рольганг является наиболее дорогой и ответственной частью печи, от которого зависит экономичность и надежность всего печного агрегата. В состав печного рольганга входят ролики, приводы их вращения, подшипниковые опоры и системы охлаждения элементов конструкции роликов.

В одной печи может быть установлено до 200 роликов, а их общее количество в прокатном толстолистовом цехе может достигать до 1000 штук, при ежегодном расходе до 450 штук массой 2,6 т каждый. Изготавливают ролики из дорогостоящий жа-

ропрочных хромоникелевых сталей и сплавов с содержанием никеля до 50%. Эксплуатируются ролики в тяжелых условиях и срок их службы может составлять от нескольких лет до 2-3 месяцев в зависимости от температуры эксплуатации и конструкции ролика. Имеют место случаи, когда ролики одинаковой конструкции на одной печи имеют различную долговечность.

Опыт эксплуатации многочисленных конструкций печных роликов и существующая методика их расчета на прочность, включающая только элементарный расчет механических напряжений, не позволяют объяснить причины низкой стойкости роликов, а также сформулировать и обосновать требования к их конструкции и условиям эксплуатации.

При большом количестве спроектированных и эксплуатируемых роликов различных конструкций до настоящего времени не удается создать конструкции печных роликов, обладающих высокой долговечностью. Это объясняется отсутствием в литературе исчерпывающих данных об условиях эксплуатации роликов, что не позволяет разработать обоснованные рекомендации, направленные на повышение их долговечности.

Потребность в высокопроизводительных печах с роликовым подом, с одной стороны, и неудовлетворительная эксплуатационная надежность печных рольгангов с другой определили актуальность работы, направленной на решение проблемы повышения долговечности печных роликов.

Задача и цель диссертации заключается в разработке теории и методов обеспечения надежности печных рольгангов прокатных станов, позволяющих существенно повысить долговеч-

ность роликов.

Научная новизна. Диссертация содержит следующие элементы новизны.

1. Разработаны математические модели формирования температурных и механических нагрузок, действующих на ролики при их взаимодействии с садкой и печью.

2. Разработана методика расчета роликов и оценки их долговечности, учитывающая реальные условия их эксплуатации и поведение материала бочки при высоких температурах.

3. Вскрыты физические причины характерных повреждений роликов. Доказано, что определяющее влияние на долговечность роликов оказывают высокие температурные напряжения, вызывающие остаточные деформации, приводящие к образованию прогиба, появлению термоусталостных трещин или разрушению сварных швов.

4. Впервые в промышленных условиях выполнен комплекс экспериментальных исследований печных рольгангов. Установлено, что уровень динамические усилий, формирующиеся в роликах, 6-12 раз превышает уровень статических. Проведены исследования параметров температурного поля роликов при различных режимах работы рольгангов.

Практическая ценность. Разработанная методика расчета печных роликов на прочность, учитывающая реальные условия их эксплуатации, позволила объяснить причины низкой долговечности печных роликов.

Разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию но-

вые конструкции печных роликов, обеспечивающие повышение их долговечности в 1,5-2 раза.

Разработаны и внедрены на действующих печах новые способы и режимы эксплуатации печных рольгангов, обеспечивающие осесимметричное тепловое нагружение роликов и снижние величины остаточного прогиба в 5-10 раз.

Внедрение рекомендаций по конструкции и расположению сварного шва относительно огнеупорной кладки печи позволили практически исключить случаи разрушения соединения бочки ролика с цапфами.

Результаты работы внедрены в проектах строящихся и реконструируемых проходных печей проектными институтами ВНИЙ-метмаш, Стальпроект, Укргипромез, Гипросталь, а также в промышленную эксплуатацию на печах металлургического комбината "Азовсталь" (Ж "Азовсталь"), Челябинского (ЧМК или АО "МЕ-ЧЕЛ"), Череповецкого (ЧерМК или АО "Северсталь"), Орско-Ха-лиловского (ОХМК или АО "НОСТА") металлургических комбинатов, Верхне-Салдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО).

В России на АО "Буммаш" (г.Ижевск) организовано централизованное производство печных роликов для металлургических предприятий, при изготовлении которых нашли применение ряд основных выводов и положений диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту.

В соответствии с поставленными задачами и целью диссертации на защиту выносится комплексный подход к решению проблемы повышения надежности печных рольгангов прокатных станов, включающий в себя:

теорию формирования температурных и механических нагрузок, действующих на ролики при их взаимодействии с садкой и печью;

методы и результаты выбора рациональных параметров конструкции печных рольгангов, условий и режимов их эксплуатации;

новые конструкции печных рольгангов и способы их эксплуатации;

результаты исследования характеристик прочности материала бочки ролика, методика выбора материала.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтвержена результатами экспериментальных исследований, а также длительной эксплуатацией новых конструкций роликов.

Публикации. Основное содержание работы отражено в одной монографии, 18 статьях и 16 авторских свидетельствах и патентах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и приложения. Она содержит 271 страницу текста, 103 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 109 наименований и приложение на 39 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Проходные печи с роликовым подом. Конструкции печных рольгангов и проблемы их совершенствования

Приведено описание конструкции проходной термической печи с роликовым подом. Дана ее характеристика и режимы эксплуатации.

Рассмотрены конструкции печных рольгангов и составляющих его элементов: роликов, приводов их вращения, подшипниковых опор и систем охлаждения элементов конструкции роликов. Приведены типовые конструкции печных роликов. При температуре рабочего пространства печи выше 1250 °С используют ролики с охлаждаемой бочкой, главный недостаток которых -высокие потери тепла с охлаждаемой водой, поэтому такие ролики на практике используют крайне редко. В настоящей работе рассматриваются печные рольганги, в состав которых входят ролики с охлаждаемым валом или с охлаждаемыми цапфами. Ролики с охлаждаемым валом применяют при температуре эксплуатации до 1250 °С, а ролики с охлаждаемыми цапфами - при температуре эксплуатации до 1000 °С.

Рассмотрены различные режимы работы печных рольгангов. При непрерывном режиме работы рольганга или "на проход" садка передвигается в печи на технологической скорости без остановок. При работе рольганга в режиме покачивания садка нагревается, совершая возвратнопоступательные перемещения в печи с остановками перед реверсом.

Практика эксплуатации показала, что на многих проходных

печах ролики имеют недопустимо низкую долговечность. Это приводит к необходимости частой замены роликов и существенному росту себестоимости обрабатываемой в этих печах продукции.

Необходимость замены роликов возникает по следующим причинам: образование значительного остаточного прогиба, разрушение бочки роликов, разрушение сварных швов, соединяющих бочку с цапфами.

Существующая методика расчета роликов на прочность включает в себя элементарный расчет его как двухопорной балки под действием статической нагрузки при условии равномерного опирании садки через один ролик. Анализ результатов расчетов по этой методике не позволяет объяснить причины выхода роликов из строя.

Существенное влияние на долговечность печных роликов оказывают подшипниковые опоры и привод их вращения. Однако при проектировании этих узлов не учитывают реальные условия эксплуатации роликов, в результате чего подшипниковые опоры часто заклинивает, а маломощный привод вращения не в состоянии провернуть ролик, имеющий даже небольшой дисбаланс, который возникает при появлении остаточного прогиба. При выборе вида механической передачи в приводе вращения, как правило, не учитывают режимы работы печного рольганга. Одним из главных критериев при проектировании привода вращения является его низкая стоимость, что часто приводит к несоизмеримо большим эксплуатационным затратам при замене роликов.

Важная характеристика печного рольганга, которой является шаг роликов, выбирается из таблиц, основанных на опыте

эксплуатации печей, что не всегда является правильным и приводит к необоснованному завышению стоимости печного агрегата.

Данные по условиям эксплуатации роликов практически отсутствуют в литературе, что объясняется сложностью проведения экспериментальных исследований. Все перечисленные выше факты привели к тому, что на практике имеет место многообразие конструкций роликов, каждая из которых имеет целью устранить только один из недостатков.

Отсутствие комплексного подхода к вопросам надежности печных рольгангов не позволяют добиться устойчивого снижения расхода дорогостоящих печных роликов при эксплуатации печных агрегатов.

На основании изложенного в работе поставлены следующие задачи:

1. Выполнить комплекс экспериментальных исследований условий эксплуатации печных роликов в промышленных условиях, а также материалов, применяемых при изготовлении бочек.

2. Разработать математические модели формирования температурных и механических нагрузок, действующих на печные ролики при их взаимодействии с садкой и печью.

3. Разработать методику расчета печных роликов на прочность, учитывающую реальные условия эксплуатации, дать оценку их долговечности, вскрыть причины характерных повреждений роликов.

4. Разработать рекомендации по совершенствованию конструкции и условий эксплуатации роликов.

5. Внедрить в промышленности новые конструкции печных

роликов и усовершенствованные режимы эксплуатации печных рольгангов.

Глава 2. Анализ эксплуатационной надежности и исследование условий эксплуатации печных рольгангов

Анализ поломок роликов с охлаждаемыми цапфами, проведенный на базе термических печей стана 3600 Мариупольского Ж "Азовсталь", показал:

1) 75% роликов заменяют из-за образования недопустимого остаточного прогиба;

2) 12-13% роликов заменяют из-за разрушения сварных швов, соединяющих бочку роликов с цапфами;

3) 12-13% роликов заменяют из-за разрушения бочки роликов.

Остаточный прогиб наблюдается у роликов независимо от места их расположения в печи. Разрушение сварных швов происходит во время разогрева или охлаждения печи и также не зависит от места расположения ролика в печи. Разрушение бочек и образование сетки термоусталостных трещин характерно для роликов, установленных в зоне загрузки, включающей первые 53 из 194, установленных в печи. На их долю приходится более 80% замен.

Для роликов с охлаждаемым валом, установленных на печах ЧМК и металлургического завода "Красный Октябрь", характерными недостатками являются:

- разрыв бочки ролика смещенный от оси печи в сторону неподвижной опорной втулки и расположенный в непосредственной близости от огнеупорной кладки печи;

- остаточный прогиб роликов;

- разрушение сварных швов, соединяющих элементы конструкции ролика;

- поломки узла подачи воды в охлаждаемый вал.

Для выявления нагрузок, действующих на ролики, впервые в промышленных условиях были проведены комплексные экспериментальные исследования.

Исследования механических нагрузок проводили на проходных термических печах МК "Азовсталь".

Выявлены особенности механического нагружения роликов при транспортировке по ним садки. Величина динамической нагрузки в 6-12 раз превосходит статическую и зависит от кривизны и скорости транспортировки садки.

Впервые проведены исследования температурного поля роликов с охлаждаемыми цапфами и охлаждаемым валом в промышленных условиях.

Для роликов с охлаждаемыми цапфами установлено, что во время эксплуатации градиент температуры вдоль оси ролика в пределах печного пространства практически отсутствует. Максимальные значения градиент температуры вдоль оси принимает в непосредственной близости и в пределах огнеупорной кладки печи, которые достигают 400 °С на 250 мм длины.

Зафиксирован перегрев роликов до температуры 1100 °С при температуре рабочего пространства печи над роликами равной 960 °С.

Для роликов зоны загрузки при прохождении листа через печь зафиксированы циклические изменения температурного поля. При нагреве холодного листа в непрерывном режиме работы

печного рольганга максимальное снижение температуры бочки на глубине 1,0-1,5 мм от ее поверхности составило 80-90 °С.

При нагреве холодных листов в режиме покачивания (исследования проводили на нагревательной печи ВСМПО) снижение температуры бочки на глубине 1,0-1,5 мм составило 50-60 °С и имело место во время остановок роликов.

Для роликов с охлаждаемым валом проведены экспериментальные исследования температурного поля роликов и тепловь& потерь с охлаждаемой водой в условиях эксплуатации роликов на нагревательной печи стана 1700 ЧМК.

Зафиксированы существенные перепады температуры (150-200 °С) бочки и бандажей, закрепленных на наружной поверхности бочки роликов. При остановке роликов в печи устанавливается градиент температуры по высоте поперечного сечения, что связано с неосесимметричным охлаждением вала из-за недостатков в работе узла подвода воды.

Сравнение экспериментальных значений тепловых потерь у роликов различных конструкций показало, что минимальные потери имеют ролики с тепловой изоляцией из каолиновой ваты. Однако во время эксплуатации потери тепла возрастают, что связано с выгоранием теплоизоляционного материала, которое было подтверждено обследованием вышедших из строя роликов.

Установлено, что во время эксплуатации материал бочки (Ст 20Х25Н19С2) существенно охрупчивается.

При температуре эксплуатации в материале бочки проявляется свойство ползучести. В этих условиях состояние материала описывается следующей зависимостью

б = б0-ега-ёп.

(1)

где е и е - деформация ползучести и ее скорость; бо. т. п - реологические постоянные, определяемые экспериментально для материала при данной температуре и условиях нагружения. Для определения эти постоянных были проведены исследования материалов бочек (Ст 20Х25Н19С2, сплав Х28Н48В5) при температуре эксплуатации с различными скоростями деформации. Указанные материалы при рабочих температурах 950-1250 °С деформируются без упрочнения с явно выраженным участком текучести, поэтому коэффициент т равен нулю

В результате обработки экспериментальных данных были получены оставшиеся коэффициенты, которые приведены в таблице 1 и позволяют описать поведение материала при действии нагрузок во время эксплуатации.

Таблица 1

Реологические характеристики материала бочки печного ролика

^И С П, Сталь 20Х25Н19С2Л Сплав Х28Н48В5Л

бо П бо П

950 316 0,178 668 0,085

1000 225 0,160 267 0,133

1100 130 0,185 335 0,223

1200 - - 39,4 0,112

Глава 3. Методика расчета роликов на прочность и оценка

их долговечности Разработана методика расчета роликов на прочность, учитывающая воздействие механических и тепловых нагрузок.

Одной из важных характеристик печного рольганга является шаг роликов. Увеличение шага роликов позволяет уменьшить их количество, что особенно важно при высокой стоимости роликов. В то же время при увеличении шага возрастает вероятность попадания садки под рольганг. Было предложено определять допустимый шаг Ькр роликов из условия отсутствия пластических деформаций в материале садки при ее консольном изгибе под действием собственного веса. Этот допустимый шаг необходимо рассчитывать с учетом плотности рл материала полосы, предела текучести бтс материала садки при максимальной температуре нагрева, а также геометрических свойств поперечного сечения садки. Для листа минимальной толщины 11 получим

Ь

кр

где g - ускорение силы тяжести.

Выбор геометрических параметров поперечного сечения бочки необходимо делать с учетом напряжений, связанных со статическими и динамическими деформациями ролика, температуры эксплуатации, технологии изготовления и т.д. Были проведены теоретические исследования динамических нагрузок, действующих на печные ролики.

Расчетная динамическая схема, содержащая ролик и полосу, приведена на рис.1. Колебания ролика могут быть представлены как изгибные колебания двухопорной балки с распреде-

Рис.1.Динамическая расчетная схема.

а) до удара; б) в момент улара; в) после удара.

ленными упруго-массовыми параметрами. С учетом того, что на практике реализуется лишь самая низшая частота и связанная с ней форма колебаний, ролик был представлен в виде дискретной одномассовой динамической системы с массой шр, равной половине массы ролика, и жесткостью Ср, соответствующей изгибной жесткости ролика от силы, приложенной в середине пролета.

В соответствии с расчетной схемой полоса массой шл движется по рольгангу со скоростью Ул, а ролик вращается с угловой скоростью О).

Как правило передний конец полосы находится ниже уровня рольганга на величину А. Эта величина складывается из прогиба бочки ролика и загиба вниз переднего конца садки. Загиб образуется после прокатки или в результате резки проката на ножницах. Формирование динамических нагрузок в ролике происходит при ударе по нему передней кромкой движущейся полосы, при этом будем считать, что передний участок полосы длинной 1К и массой тх может упруго отгибаться. Длина этого участка равна

Рассматривая связь между полосой и роликом как идеальную, применим уравнения Лагранжа второго рода для описания динамики системы.

Соответствующее уравнение динамики для обобщенной координаты ур, характеризующей деформацию ролика имеет следующий вид

(3 ( Зт дТ Зп

(П I 8ур Зур Зур

где

1 ¡> 1 Ю1 ? 1 ■ р 1 р

Т---шл • Ул2+----(ур+Vл • Ь&) 2+— • шр • ур--^ .

2 2 3 2

1

П=—-Ср- (Ур+урст)г+т1^-0.5- (Ур+И-соБа+УдЧ- 1да)+тр-8-ур.

В результате рассмотрения неупругого удара садки о ролик была определена скорость ур0 центра масс ролика после соударения, которая является начальным условием по скорости при решении дифференциального уравнения

Ш1-Уя /2-Ашах

у ----/- ,

Шх+З'тр у КВ результате решения было определено максимальное значение динамической силы

ДИН=_ТУ \ Т~)

' г-Ср-Двал-ОЩ-Уя)'

4--

З-й-(Шх+З-Шр)

Расчет динамического усилия для ролика термической проходной печи стана 3600 МК "Азовсталь" дал значение 88 кН. Расчетное значение частоты свободных колебаний системы ролик-полоса составило 19.6 гЦ.

Экспериментальные данные по величине динамической нагрузки и частоте соответственно равны -60 кН и 20 гЦ. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных по уровню динамических нагрузок и частоте колебаний указывает на корректную постановку расчетной задачи.

Расчетная схема для определения температурного поля бочки ролика приведена на рис.2.

Рис.2.Расчетная схема для определения температурного поля ролика.

- внутренний и наружный радиусы поперечного сечения бочки, соответственно, м; Ь - шаг роликов;

и)=Ул/&2 ~ угловая скорость вращения ролика, рал/с.

Распределение температуры в поперечном сечении бочки в неподвижных координатах описывается дифференциальным уравнением

Эт Зт ( Э8Т 1 ЗТ 1 32т

ôt+ |ш|'з9= a'i+ (2)

где Т(г, 9) - температура произвольной точки (г,в) рассматриваемого сечения ролика, °С;

t - время контакта ролика с садкой, с;

а - коэффициент температуропроводности материала бочки ролика при температуре эксплуатации, м2/с.

При изменении направления вращения (режим покачивания) знак второго слагаемого в левой части уравнения (2) не изменяется, именно поэтому угловая скорость ш стоит под знаком модуля.

В качестве начальных условий принимаем, что перед контактом с листом ролик имел однородное температурное поле и его температура равна температуре рабочего пространства печи.

Так как теплообмен на внутреннем контуре отсутствует (для роликов с охлаждаемыми цапфами), то граничные условия примут вид:

ЗТ

Зг (3)

r=Rj, 0<6<2ît,

где Хр - коэффициент теплопроводности материала бочки при температуре эксплуатации, Вт/(м-°С).

На внешнем контуре происходит теплообмен излучением с листом и с рабочим пространством печи. Граничные условия для части внешнего контура АВСВ, участвующего в теплообмене с листом:

/

Эт

-V Г- = дл:

ог (4)

Г=Н2, <в<Я+1Р! ,

где - плотность теплового потока от ролика к листу, Вт/'м2;

91 - угол, при превышении которого теплообмен ролика с листом отсутствует:

ф1=Я/2+агссоз(211г/Ь).

Для внешнего контура ВАБС:

ат

V — =

Р Эг (5)

г=й2, о<е<<р1,

Тепловые потоки qя и определяем по закону Стефа-на-Больцмана:

Чл=£1-£2-Со-ш1>г-(Т4-Тл), (6)

<Ь=Е1 'Со1,г' (Т„-Т4), (7)

где Ез и ег - степень черноты поверхностей ролика и листа, соответственно;

Со=5,7-10"8 Вт/(м2-°К4) - постоянная Стефана-Больцмана;

Щ.г. ш'1.г - коэффициенты, зависящие от взаимного расположения излучающих поверхностей соответственно ролика и

листа, ролика и кладки;

Тл, Т„, Т - абсолютные температуры соответственно поверхности листа, рабочего пространства печи под роликами и поверхности ролика, °К.

Коэффициенты Ш1,2. га'1,2 определяют по формулам:

(Ь1/Е2-31П1р) •СОБф-ЗЗ.Пф- (1-С03(р)

Ш1.а =0,5- 1 +

1,2=0-5-| 1 +

[ (1-соБф) 2+СЬ1/К2-з1гир)г] 1/2 (Ь^/Иг-эте) -созб-зтв- (1-созв)

:(1-созв)г+(ь1/к2-з1пе)2] 1/2 )

где Ь^^^/г).

Таким образом расчет температурного поля ролика сводится к решению дифференциального уравнения (2) с заданными начальными условиями и граничными условиями (3)-(5).

В граничные условия, как один из параметров, входит температура листа.

Температурное поле листа описывается следующим дифференциальным уравнением

32тл Зтл

где Тл - температура листа в произвольной его точке по толщине с координатой г, °К;

ал - коэффициент температуропроводности материала садки, м2/с; X - время, с.

Так как асимметрия нагрева металла в печах с роликовым подом незначительна, то достаточно рассмотреть только половину толщины листа. В начальный момент времени (при 1=0) лист имеет однородное температурное поле и его температура

равна Тл0.

Граничные условия имеют следующий вид.

Для внешней поверхности:

Зт

-Ья- — = Чп;

02

2=Ьл/2.

для срединной поверхности:

ат

-х,- — = о;

<! ог

2=0,

где Хл - коэффициент теплопроводности материала листа, Вт/(м-°С);

4 4

qn=£2•Go•(ТП-Т ) - плотность теплового потока от печи к листу, Вт/м2.

Решали систему дифференциальных уравнений (2), (8) с соответствующими начальными и граничными условиями численно, методом конечных разностей. Полученное расчетом температурное поле ролика использовали для определения его термонапряженного состояния.

Напряжения, возникающие в неравномерно нагретом по сечению ролике в условиях кратковременной ползучести, определяли по формуле:

б =

Е ( N Мх

-■с р

I Е

1(ЕаТ) =

Р I,

Е (1

-ср

Е П

+ —у + —-х + КЕаТ) + 1(Ее).

ЕаТйЕ +

ЕаТ-усШ +

ЕаТ-хйЕ -ЕаТ,

"у

Еср ^ ^

1(Е£р)= -—|г ¡Ее<ЗГ + — (ЕЕ-уШ-1 +

E£•XdF -ЕЕ,

где N. Мх, Му - соответственно растягивающая сила, и изгибающие моменты в поперечном сечении от механической нагрузки;

а,Е - коэффициент температурного расширения и модуль упругости материала бочки;

Г, 1Х, 1У - площадь поперечного сечения и моменты инерции сечения относительно осей х и у;

1 г

Еср = - ЕйГ - средний по сечению модуль упругости мате' риала бочки;

е - деформация ползучести в точке с координатами (X, у);

Т - температура в точке (х,у) поперечного сечения.

Вычисление напряжений в ролике по зависимости (8) проводили с учетом уравнения состояния (1).

Получив значения деформации ползучести, можно определить составляющие остаточной кривизны ролика

г 1

зех = — | £ • ydF, Ix

E-xdF.

у

Максимальные составляющие остаточного прогиба бочки и вычисляют по формулам:

8x'L2.

'»уш

1 2 — Жу • L .

Максимальный остаточный прогиб ролика равен

wn

г / Vi':

2 2 Wxm + Wy

»шах- У "хт Т "ут

Интегрирование выражений, входящих в (9), производим численно на каждом шаге по времени, считая что за достаточно малый промежуток времени дt напряженно-деформированное состояние ролика не изменяется.

Количество циклов (количество листов) до возникновения трещины определяется по формуле тс ~1

N =

(ае)1-67

-Ii к

цикл;

где к=0,6; С= С1п<1—ф)~ ] - постоянные;

■ф - относительное сужение поперечного сечения образца;

Ае - размах остаточной (пластической) деформации за

N - число циклов до появления трещины (количество лис-

тов) .

Следует отметить, что критерии долговечности роликов по остаточному прогибу и, особенно, по термической усталости

носят оценочный характер и являются полезными при сравнительном анализе различных конструкций роликов и условий их эксплуатации.

Показаны особенности расчета температурного поля, термонапряженного состояния и оценки долговечности роликов с охлаждаемым валом.

Достоверность математических моделей формирования термомеханических нагрузок, действующих на ролики, подтверадейа многочисленными натурными экспериментами на Ж "Азовсталь", чмк, всмпо.

Разработанная методика была применена для теоретического анализа напряженно-деформированного состояния роликов и оценки их долговечности.

Глава 4. Теоретический анализ термонапряженного состояния роликов и оценка их долговечности. Выбор рациональных конструктивных параметров роликов и определение благоприятных условий их эксплуатации

На основании теоретического анализа термонапряженного состояния вскрыты причины поломок и повреждений роликов и предложены новые конструкции и режимы эксплуатации, позволяющие устранить выявленные недостатки.

Доказано, что определяющее влияние на долговечность роликов оказывают температурные напряжения, величина которых в несколько раз превышает механические.

Для роликов с охлаждаемыми цапфами установлено, что остаточный прогиб происходит под действием неосесимметричных

температурных напряжений при одностороннем характере их накопления, происходящего из-за разнотолщинности бочки, неравномерного вращения, нерациональных тепловых режимов эксплуатации и других факторов.

Образование сетки термоусталостных трещин на поверхности бочки происходит под воздействием высоких циклических температурных напряжений, возникающих в роликах при их теплообмене с более холодной садкой. Последующий рост трещйн вызван динамическими нагрузками на ролик при загрузке садки на высокой транспортной скорости. Такие повреждения характерны для роликов зоны загрузки.

Разрушение сварных швов, соединяющих бочку с цапфами или с опорными втулками, происходит при высокой температуре сварных швов под действием тепловых нагрузок во время нестационарных режимов работы печи (разогрев и охлаждение).

Разработан новый режим покачивания роликов исключающий их неосесимметричное тепловое нагружение и позволяющий уменьшить величину остаточного прогиба в 5-10 раз. Проведен анализ влияния кинематических параметров режима покачивания роликов - скорость вращения, время остановки - на величину остаточного прогиба. Новый режим покачивания роликов защищен авторским свидетельством.

Разработан новый способ эксплуатации роликов, позволяющий предотвратить образование у них остаточного прогиба при остановке роликов в печи. Согласно этого способа температура рабочего пространства печи контролируется как над роликами, так и под ними, причем температура под роликами поддерживается ниже, чем над ними. Новый способ защищен авторским сви-

детельством.

Разработана новая конструкция ролика с винтовой канавкой на наружной поверхности бочки, которая позволяет свести к минимуму температурные напряжения, возникающие в бочке при теплообмене с садкой. Геометрические параметры винтовой канавки - ширина, глубина, радиус округления в вершине и ее шаг - выбраны в результате термонапряженного состояния роликов. Новая конструкция ролика и ее параметры защищены авторским свидетельством.

Разработаны новые конструкции роликов, позволяющие иск-лючаючить разрушение сварных швов. Традиционное сопряжение бочки с цапфами представляет собой соединение, при котором внутренняя поверхность бочки охватывает наружную поверхность цапф. В новой конструкции ролика в цапфе ролика выполнена полость, внутренняя поверхность которой охватывает наружную поверхность бочки. Во время эксплуатации при установившемся перепаде температуры бочки и цапф возникают температурные смещения сопрягаемых поверхностей повышающие надежность соединения. Данная конструкция защищена авторским свидетельством и особенно эффективна для роликов, изготавливаемых из трудносвариваемых марок сталей и сплавов.

Разработаны усовершенствованные конструкции печных роликов со сварным узлом повышенной надежности, у которых сварной шов смещен вглубь огнеупорной кладки печи. У таких роликов значительно (на 200-300 °С) снижается температура эксплуатации шва, что практически исключает его разрушение.

Разработаны рекомендации для уменьшения образования трещин термоусталости у роликов зоны загрузки. Уменьшение

температуры рабочего пространства печи в зоне загрузки или применение камер предварительного нагрева садки позволяет существенно снизить циклические остаточные деформации в ролике и повысить долговечность роликов по критерию термической усталости в 5 - 7 раз.

Для роликов с охлаждаемым валом проведен анализ их тер-монапрякенного состояния и потерь тепла с охлаждаемой водой.

Рассмотрены преимущества и недостатки роликов с различным исполнением теплоизоляции между бочкой и валом. Проведен анализ температурных полей и тепловых потерь для роликов, имеющих многослойную бочку и различное количество слоев экранной теплоизоляции между бочкой и валом. На основании анализа расчетных данных предложена конструкция печного ролика с многослойной бочкой, у которой наружная поверхность несущего слоя бочки защищена бандажами-экранами от неблагоприятного воздействия со стороны садки. Эта конструкция защищена авторским свидетельством.

Выявлены причины образования кольцевого разрыва бочки смещенного в сторону неподвижной опорной втулки. Разрушение бочки происходит из-за стеснения температурных перемещений бочки относительно вала, возникающего при необратимых деформациях бочки. При этом между бочкой и валом через неподвижные промежуточные опоры возникает механическая связь, непредусмотренная проектом. Во время охлаждения печи в бочке ролика формируются осевые усилия, величина которых увеличивается по мере приближения в неподвижной опорной втулке. В поперечных сечениях ролика, расположенных в непосредственной близости от огнеупорной кладки печи со стороны неподвижной

втулки, имеет место неблагоприятное сочетание высокой температуры и максимальных осевых растягивающих усилий, что и вызывает разрушение ролика. Предложена новая конструкция ролика с подвижными промежуточными опорами, которая исключает разрыв бочки во время эксплуатации. Эта конструкция защищена авторским свидетельством.

Приведены различные механизмы образования остаточного прогиба у роликов с охлаждаемым валом. Доказано, что образование остаточного прогиба зависит от соотношения несущих способностей бочки и водоохлаждаемого вала, а также от качества работы системы его охлаждения. Разработана конструкция печного ролика с геометрическими параметрами бочки и вала, обеспечивающие превышение несущей способности вала по отношению к бочке. Выведены зависимости для определения геометрических параметров таких роликов. Данная конструкция ролика защищена авторским свидетельством.

Разработана новая конструкция системы водоохлаждения вала позволяющая обеспечить осесимметричное температурное поле в нем как при вращении ролика, так и при его остановке. Конструкция ролика с новым узлом охлаждения вала защищена авторским свидетельством.

Доказано, что для выбора материала бочки ролика, как наиболее нагруженного элемента конструкции, необходимо использовать не только стандартные характеристики прочности и жаростойкости, но и специальные реологические характеристики, учитывающие поведение материала в области высоких температур.

На основании анализа термонапряженного состояния ролика

показано, что правильно выбранные его конструктивные параметры предполагают, но не гарантируют высокую долговечность, т.к. ролик может эксплуатироваться в неблагоприятных тепловых условиях или в нерациональных режимах.

Глава 5. Повышение эксплуатационной надежности приводов вращения роликов и их подшипниковых узлов

Приведен анализ работы приводов вращения печных роликов, который показывает, что в настоящее время нет обоснованных требований к их конструкциям, а методика расчета мощности не учитывает реального состояния рольганга в процессе эксплуатации.

Для расчета мощности привода следует определить статический момент, необходимый для вращения одного ролика при индивидуальном приводе или секции роликов, если используют групповой привод. Этот момент можно представить в виде суммы трех составляющих

Мс1=М„+Мб+Мдис.

где

Мп - момент трения в опорах, Н-м;

Мб - момент, создаваемый трением при пробуксовке изделий по поверхности роликов, Н-м;

Мдис _ момент, зависящий от дисбаланса роликов, Н-м.

Момент трения Мп будет равняться сумме моментов на левой и правой опорах ролика, которые вычисляются по известным методикам.

Момент, создаваемый пробуксовкой изделия по ролику, равен

Мб=0,5-Ршах-Вр-Ми. где Вр - диаметр бочки ролика, м;

Ртах - максимальное усилия, действующее на ролик со стороны садки, Н;

Рн - коэффициент трения нагреваемого изделия по ролику

В существующих методиках при расчете статических моментов, действующих на привод, учитывают две рассмотренные составляющие: трение в опорах (Мп) и пробуксовку садки по роликам (М6). Однако, изучение опыта работы печных рольгангов показывает, что в состоянии поставки многие ролики имеют достаточно большой дисбаланс, который в процессе эксплуатации существенно увеличивается из-за теплового прогиба роликов. При этом статический момент (Мдис), зависящий от дисбаланса ролика, оказывается значительно больше, чем моменты от трения в опорах и пробуксовки.

Выражение для модуля дисбаланса тер (кг-м) ролика имеет следующий вид

2-Др I ш6-ь6 ^ р-ж-й6г-Д6-Ь6

¿•др I ш6-ь6 ^

юер=--шр- а-Ьб)+-

2-Ь-и I 3 J

2-Ь-Ьб

где р - плотность материала бочки ролика, кг/м3; ш6 - масса бочки ролика, кг; юр - масса ролика, кг;

йб - диаметр внутреннего отверстия в бочке, м;

Ь6 - длина бочки, м;

Ь - расстояние между опорами ролика, м;

Др - стрела теплового прогиба ролика, м;

Дб ~ стрела прогиба, связанная с кривизной исходной

трубной заготовки, м.

При определении момента Мдис необходимо учесть, что вследствие изгиба ролика этот момент формируется как за счет дисбаланса ролика, так и за счет воздействия на ролик усилия Ртах от нагреваемого изделия

Мдис=ё-тер+Ртах'Ар.

Зная суммарный статический момент Мст на ролике, можно определить момент Мд на двигателе и его мощншсть Ыд с учетом передаточного числа ир и к. п. д. (г\) трансмиссии между двигателем и роликом по известным зависимостям.

На основании анализа опыта эксплуатации проходных печей можно сформулировать следующие требования к приводу вращения роликов, работающих в режиме покачивания, как наиболее неб-лагприятном:

- жесткая механическая связь между роликами и приводом их вращения;

- надежное вращение роликов при наличии остаточного прогиба и транспортировке коробоватой садки (листов) большой толщины;

- система управления должна обеспечивать необходимый режим покачивания роликов;

- возможность подключения группы роликов, у которой вышел из строя привод вращения, к соседней группе вращающихся роликов;

- возможность отключения от привода любого аварийного ролика при бесперебойном вращении других;

- удобство монтажа и демонтажа роликов при минимальных затратах времени.

Разработаны подшипниковые узлы печных рольгангов, обладающие повышенной надежностью. В этих узлах подшипники сохраняют работоспособность даже после кратковременного отключения охлаждающей воды. Подшипниковые узлы имеют высокую ремонтопригодность, удобны в обслуживании и содержат двухрядные сферические роликоподшипники с увеличенным радиальном зазором. Усовершенствована подшипниковая опора, выполненная в виде люнета.

Глава 6. Внедрение результатов работы, направленных на повышение надежности печных рольгангов

Основные результаты работы неоднократно докладывались на конференциях и научно-технических советах ведущих проектных институтов. Результаты работы внедрены проектными организациями:

1. АХК "ВНИИметмаш им. Акад. А.И.Целикова" (Москва) в проекте рольганга проходных печей стана 5000 объединения "йжорские заводы".

2. Институтом "Стальпроект" (Москва) в проекте проходных печей с роликовым подом для Республики Болгария.

3. Институтом "Укргипромез" (г. Днепропетровск, Украина) в проекте проходных термических печей для стана 3000 Мариупольского металлургического комбината им. Ильича (Украина) .

4. Институтом "Гипросталь" (г. Харьков, Украина) в проекте реконструкций проходных термических печей стана 2800

Алчевского металлургического комбината (Украина).

В перечисленных проектах институтами "Стальпроект", "Укргипромез" и "Гипросталь" были внедрены следующие рекомендации:

1. Новый способ предотвращения прогиба роликов при их остановке в печи. С целью компенсации прогиба роликов вниз под действием механической нагрузки устанавливается температурный режим печи, при котором происходит прогиб ролика вверх от действия тепловой нагрузки.

2. Для исключения разрушения сварного шва, соединяющего бочку с цапфами, его выполнили встык с применением сварных пробок, при этом место сварки углубили в огнеупорную кладку печи.

3. Предусмотрено снижение температуры рабочего пространства печи в зоне загрузки.

Кроме перечисленных рекомендаций в проекте проходных термических печей стана 5000 были внедрены следующие основные результаты работы:

1. С целью уменьшения остаточного теплового прогиба рекомендован рациональный режим покачивания.

2. Рекомендовано уменьшить толщину стенки бочки ролика с 50 до 30 мм (обеспечивается снижение металлоемкости ролика на 25% при повышении долговечности в 3-4 раза).

3. Для подшипниковых опор ролика рекомендовано использовать сферические двухрядные роликовые подшипники с увеличенным радиальным зазором, которые следует устанавливать на цапфах роликов и в корпусах подшипников с гарантированным радиальным зазором. На плавающей подшипниковой опоре свобод-

ное осевое смещение цапфы обеспечивается за счет скольжения наружного кольца подшипника в его корпусе.

Большинство разработанных в настоящей работе рекомендаций было внедрено в промышленную эксплуатацию на следующих объектах: проходные термические печи с роликовым подом стана 3600 МК "Азовсталь", нагревательная и термическая печи стана 2000 ВСМПО, термические печи толстолистовых станов ЧерМК и ОХМК, нагревательная печь стана 1700 ЧМК.

На проходных термических печах стана 3600 МК "Азовсталь" были внедрены следующие рекомендации, часть из которых была подробно описана выше:

1. Новый способ предотвращения прогиба роликов при остановке роликов.

2. Для уменьшения образования на поверхности бочек трещин термической усталости снижена на 100°С температура рабочего пространства в зоне загрузки печи.

3. Усовершенствованная конструкция роликов, сварные швы которых выполнены встык с применением сварных пробок.

4. Отключено водяное охлаждение цапф, а роликовые двухрядные сферические подшипники с приводной стороны заменены на такие же подшипники, но с увеличенным радиальным зазором. Смазка подшипников "индустриальная 137" заменена на более жаростойкую УНИ0Л-2. Сокращено пополнение подшипниковых узлов смазкой с трех до одного раза в сутки.

Внедрение перечисленных мероприятий на печах, работающих в потоке стана, позволило повысить долговечность роликов и сократить ежегодный расход роликов с 450 до 200-250 (стоимость одного ролика составляет -20000 $).

На нагревательной и термической печах стана 2000 ВСМПО (г. В.Салда) были внедрены:

1. Печной ролик с винтовой канавкой, цапфы которого выполнены без водяного охлаждения.

2. Подшипник со стороны привода был посажен на вал по ходовой посадке без промежуточной втулки. Подшипник выбран с увеличенным радиальным зазором, что обеспечивает его работоспособность без охлаждения цапфы. С неприводной стороны вместо подшипниковой опоры установлен люнет. Смазка контактных поверхностей цапфы и ролика люнета происходит за счет погружения части ролика люнета в ванну с маслом, которая имеется в корпусе люнета.

3. Новая конструкция печного ролика с оригинальным узлом соединения бочки ролика и цапф, выполненных из труднос-вариваемых марок сталей и сплавов. Сопрягаемые поверхности более холодных цапф охватывают сопрягаемые поверхности более горячей бочки.

4. Новый режим эксплуатации роликов, позволяющий обеспечить осесимметричное тепловое нагружение печных роликов, работающих в режиме покачивания.

5. Снижена температура рабочего пространства печи под роликами и созданы все условия для обеспечения градиента температуры по высоте печи, необходимого при новом способе эксплуатации роликов.

6. Для обеспечения заданного режима покачивания повышена жесткость характеристики электродвигателя. Это достигнуто за счет увеличения сечения кабелей, соединяющих преобразователь с электродвигателями.

Внедрение перечисленных мероприятий позволило в течение последних 10 лет практически исключить образование у роликов остаточного прогиба и повысить экономичность работы печи за счет отказа от водяного охлаждения цапф.

На термических печах станов 2800 ЧерМК и ОХМК были внедрены усовершенствованные конструкции роликов, у которых сварочный шов был смещен вглубь огнеупорной кладки печи. Это позволило существенно снизить температуру эксплуатации шва, исключить его разрушение и уменьшить ежегодный расход печных роликов в 2 раза.

Всего для этих комбинатов было изготовлено более 250 роликов.

На нагревательной и закалочной печах стана 1700 ЧМК, в которых эксплуатируются ролики с охлаждаемым валом, были внедрены:

1. Новая конструкция роликов с подвижными промежуточными опорами, которые исключают образование кольцевых разрывов бочки.

2. Новая конструкция роликов с двухслойной бочкой.

3. Новая конструкция роликов с охлаждаемым валом, имеющем по сравнению с бочкой большую несущую способность и модернизированный узел водяного охлаждения.

Внедрение новых конструкций позволило повысить долговечность роликов в 1,5 раза.

Большинство из новых и усовершенствованных конструкций роликов были изготовлены в АО "Буммаш" (г.Ижевск), где по инициативе и под техническим руководством автора впервые в Российской Федерации было организовано специализированное

производство печных роликов для большинства металлургических предприятий страны. Изготовлено и поставлено для действующих печей более 700 штук роликов новых и усовершенствованных конструкций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена крупная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, и заключающаяся в разработке теории и методов обеспечения надежности печных рольгангов прокатных станов. Решение проблемы основано на комплексном подходе к вопросам прочности роликов, изготавливаемых из дорогостоящих жаропрочных сплавов и подверженных воздействию тепловых и механических нагрузок при температуре эксплуатации до 1250 °С.

2. Установлено, что основными причинами потери роликами эксплуатационных свойств являются: значительный остаточной прогиб; разрушение бочки ролика; разрушение сварных швов, соединяющих бочку ролика с цапфами или опорными втулками. Отмеченные повреждения роликов являются закономерными и обусловлены отсутствием методики расчета печных рольгангов, позволяющей учесть на стадии проектирования реальные условия эксплуатации.

3. Впервые в промышленных условиях выполнен комплекс экспериментальных исследований печных рольгангов.

3.1. Установлено, что динамические усилия, формирующиеся в роликах, зависят от скорости транспортировки садки в печи. Уровень динамических усилий в 6-12 раз превышает уро-

вень статических.

3.2. Проведены исследования параметров температурного поля роликов при различных режимах работы рольгангов.

3.2.1. Установлено, что по длине бочки роликов в пределах рабочего пространства печи без садки градиент температуры практически отсутствует, перепад температур имеет максимальное значение в пределах огнеупорной кладки и достигают 400 °С на длине 250 мм.

3.2.2. При наличии в печи холодной садки зафиксированы циклические изменения температуры поверхности бочки ролика во время его вращения. При остановке роликов по высоте его поперечного сечения устанавливается температурный градиент, который может привести к появлению остаточного прогиба.

3.3. В ряде печей, находящихся в настоящее время в эксплуатации, выявлено превышение на 100 - 150 °С температуры рабочего пространства под роликами по сравнению с температурой пространства над ними.

4. Разработаны математические модели формирования температурных и механических нагрузок, действующих на ролики при их взаимодействии с садкой и печью. Разработана методика расчета роликов и оценки их долговечности, учитывающая реальные условия их эксплуатации и поведения материала бочки при высоких температурах. Вскрыты физические причины характерных повреждений роликов.

4.1. Доказано, что определяющее влияние на долговечность роликов оказывают высокие циклические температурные напряжения, вызывающие остаточные деформации, приводящие к образованию прогиба, появлению термоусталостных трещин и

разрушению сварных швов.

4.2. На основании модели ползучести разработана методика оценки долговечности печных роликов по критерию остаточного прогиба. Доказано, что одностороннее накопление остаточного прогиба ролика происходит под воздействием на бочку циклических асимметричных температурных напряжений. Этот механизм накопления остаточного прогиба подтвержден экспериментальными исследованиями.

4.3. На основании модели термической усталости материалов предложена методика оценки долговечности роликов по критерию трещинообразования. Доказано, что трещины на поверхности бочки образуются у роликов, имеющих интенсивный теплообмен с садкой.

4.4. Показано, что механические напряжения способствуют росту образовавшихся термоусталостных трещин и окончательному разрушению бочки. Величина этих напряжений зависит от скорости транспортировки садки, кривизны (коробоватости) обрабатываемых листов, шага роликов и величины их остаточного прогиба.

4.5. Выявлены причины разрывов бочек роликов с охлаждаемым валом в непосредственной близости от огнеупорной кладки печи. Такие разрывы происходят вследствие недопустимого механического ограничения относительных температурных перемещений бочки относительно водоохлаждаемого вала.

4.6. Доказано, что для выбора материала бочки ролика, как наиболее нагруженного элемента конструкции, необходимо использовать не только стандартные характеристики прочности и жаростойкости, но и специальные реологические характерно-

тики, учитывающие поведение материала в области высоких температур.

4.7. Достоверность математических моделей формирования термомеханических нагрузок на ролики подтверждена многочисленными натурными экспериментами на МК "Азовсталь", ЧМК, ВСМПО.

5. Результаты работы внедрены в проектах строящихся и реконструируемых проходных печей проектными институтами ВНИ-

[/ Иметмаш, Стальпроект, Укргипромез, Гипросталь, а также в

промышленную эксплуатацию на печах МК "Азовсталь", ЧМК, ЧерМК, ОХМК, -ВСМПО.

5.1. Разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию новые конструкции печных роликов, обеспечивающие повышение их долговечности в 1,5-2 раза.

5.2. Разработаны и внедрены на действующих печах новые способы и режимы эксплуатации печных рольгангов, обеспечивающие осесимметричное тепловое нагружение роликов и снижающие величину остаточного прогиба в 5-10 раз.

5.3. Внедрение рекомендаций по конструкции и расположению сварного шва относительно огнеупорной кладки печи позволило практически исключить случаи разрушения соединения бочки ролика с цапфами.

6. Впервые в Российской Федерации на базе АО "Буммаш" (г.Ижевск) по инициативе и под техническим руководством автора организовано специализированное производство печных роликов для большинства металлургических предприятий страны. Изготовлено и поставлено для действующих печей более 700 штук роликов новых и усовершенствованных конструкций.

Основное содержание диссертации отражено: в монографии

1. Лях А.П. Печные рольганги (проектирование и эксплуатация)

М. : Металлургия, 1997. - С. 173.

в статьях:

2. Лях A.n., Шусторович В.М., Бабицкий М.С. и др. Темпера-

турный режим роликов в проходных термических печах листопрокатного стана //Сталь. 1981. N 11. - С. 89-91.

3. Лях А.П., Шусторович В.М. Исследование условий эксплуата-

ции роликов в проходных печах и пути повышения их долговечности /В кн.: Улучшение конструирования, освоения и эксплуатации нагревательных и термических печей прокатного производства заводов черной металлургии в свете задач, поставленных ХХУ1 съездом КПСС на одиннадцатую пятилетку// Тез. докл. Всесоюзного технического совещания. Череповец. 1982. - С. 20.

4. Лях А.П. Особенности термомеханических воздействий на ро-

лики в прокатных печах листопрокатных станов / В кн.: Проблемы качества и совершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического машиностроения// Тез. докл. Областной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Свердловск, 1982. - С. 15.

5. Лях А.П., Шусторович В. М., Бабицкий М.С. и др. Работоспо-

собность подовых роликов проходной печи // Сталь. 1983.

N 4. - С. 83-87.

6. Лях А.П. Исследование о повышение стойкости роликов про-

ходных термических печей прокатных станов / В кн.: Способы повышения долговечности и надежности термонапряженного металлургического и горнометаллургического оборудования// Тез. докл. Научно-технический семинар. Челябинск, 1983. - С. 30-31.

7. Лях A.n., Бабицкий М.С., Батычко И.А., и др. Повышение

стойкости подовых роликов в проходных термических печах стана 3600 / Бюл. ЦНИИЧМ. 1983. N 12. - С. 39-47.

8. Лях А.П., Шусторович В.М. Пути повышения стойкости роли-

ков проходных термических печей // Сталь. 1984. N 3. -С. 91-95.

9. Лях A.n., Шусторович В.М. Пути повышения стойкости роли-

ков проходных термических печей // Steel In the USSR,

1984, vol. 14, N 3. - С. 362-366

10. Лях А.П. Шусторович В.М. Определение напряженно-деформированного состояния и долговечности роликов проходных термических печей листопрокатных станов / В кн.: Динамика и прочность металлургических машин. М.:ВНИИметмаш,

1985, N 6. - С. 153-162.

И. Лях А.П. Влияние разнотолщинности стенок бочки печного

ролика на его стойкость // Сталь. 1985. N 8. С. 89-91. 12. Лях А.П. Исследование напряженно деформированного состояния роликов проходных печей / В кн.: III Всесоюзная конференция по расчетам на прочность металлургических машин// Тез. докл. конференции, часть II. М., 1985. - С. 26.

13. Лях А.П., Марченко С.И., Неделько В.М. Повышение стойкости роликов, работающих в режиме покачивания //Сталь.

1987. N 10. С. 95-100.

14. Неделько В.М., Лях А.П. О некоторых причинах разрушения бочек печных роликов с водоохлаждаемым валом // Сталь.

1988. N9. С.96-97.

15. Лях A.n., Марченко С.И. Определение остаточного прогиба роликов проходных печей на основе модели ползучести / В кн.:Вестник машиностроения. 1988. N11. С. 57-61.

16. Лях А.П., Марченко С.И., Неделько В.М. Расчет термонапряженного состояния и долговечности роликов проходных печей, работающих в режиме покачивания / В кн.: Напряжения, деформации и расчеты на прочность металлургических машин. - М.: ВНИИметмаш, 1988. С. 58-69.

17. Неделько В.М., Лях А.П. О некоторых причинах разрушения печных роликов с охлаждаемым валом // Steel In the USSR, 1988, N9, С. 427-428.

18. Шусторович В.М., Лях А.П.., Неделько В.М. Влияние разно-толщинности бочек печных роликов с охлаждаемым валом на их долговечность / В кн.: Напряжения, деформации и расчеты на прочность металлургических машин. - М.: ВНИИметмаш, 1988. - С. 169-175.

19. Лях А.П., Неделько В.М., Жиргалов А.Ф. Повышение долговечности печных роликов с охлаждаемым валом // Сталь. 1990. N 5. С. 103-106.

в авторских свидетельствах и патентах: 20. A.c. 956945 (СССР). Способ эксплуатации роликов /М.С.

Бабицкий, А.П. Лях, И.А. Батычко и др. //Открытия.Изобретения. 1982. N 33.

21. A.c. 1126793 (СССР). Печной ролик /Лях А.П., Некрасов И.Н., Кравченко А.П. и др. //Открытия. Изобретения. 1984. N 44.

22. A.c. 1229537(СССР). Проходная роликовая печь для нагрева металла / Лях А.П., Бабицкий М.С., Дубинин В.П. и др. // Открытия. Изобретения. 1986. N 17.

23. A.c. 1271899 (СССР). Способ монтажа печных роликов /А.П. Лях, С.И. Марченко, М.С. Бабицкий и др. //Открытия. Изобретения. 1986. N 43.

24. A.c. 1310603 (СССР). Печной ролик /А.П. Лях, С.И. Марченко, В.В. Лавруоенко и др. // Открытия. Изобретения. 1987. N 10.

25. А. с. 1390249. Способ эксплуатации роликов в проходной печи / Лях А.П., Марченко С.И., Шутов А.П. и др. /"/Открытия. Изобретения. 1988. N 15.

26. A.c. 1618983 (СССР). Печной ролик с водоохлаждаемым валом / В.М. Неделько, А.П. Лях, В.М. Шусторович и др. //Открытия. Изобретения. 1991. N 1.

27. A.c. 1629723 (СССР). Печной ролик с водоохлаждаемым валом / В.М. Неделько, А.П. Лях, В.М. Шусторович и др. //Открытия. Изобретения. 1991. N 7.

28. A.c. 1682744 (СССР). Высокотемпературная проходная печь /А.П. Лях, В.М. Неделько, В.М. Шусторович и др. //Открытия. Изобретения. 1991. N 37.

30. A.c. 1633249 (СССР). Печной ролик / В.М. Неделько. А.П. Лях, А.Е.Гатченко //Открытия. Изобретения. 1992. N 42.

31. A.c. 1765661 (СССР). Печной ролик с водоохлаздаемым валом. /А. П.Лях, В.М.Неделько, В. М.Шусторович и др. //Б.И. 1992. N36

32. Пат. 2056027 (РФ), 1996.

33. Пат. 2056028 (РФ), 1996.

34. Пат. 2056029 (РФ), 1996.

35. Пат. 2056030 (РФ), 1996.

Подписано к печати 26. 04. мм г . Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. Заказ

-/V ' ^/Г....../' . Г" ^ГОб 7-9? ~ (/в/о (у

Акционерная холдинговая компания всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения им. Акад. а.и.целикова"

На правах рукописи

ЛЯХ Александр Павлович

теория, конструкции и методы обеспечения надежности печных рольгангов металлургического оборудования

Специальность 05. 04. 04 - "Машины и агрегаты металлургического производства'

Диссертация на соискание Мученой степени доктора ;технических наук

москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................5

1.ПРОХОДНЫЕ ПЕЧИ С РОЛИКОВЫМ ПОДОМ. КОНСТРУКЦИИ ПЕЧНЫХ РОЛЬГАНГОВ И ПРОБЛЕМЫ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ......................12

1.1.Назначение, краткая характеристика, основные элементы печей......................................................12

1.2. Ролики с охлаждаемыми цапфами..........................26

1.3. Ролики с охлаждаемым валом..............................36

1.4. Приводы вращения роликов и режимы их работы............58

1. 5. Подшипниковые опоры роликов............................76

1.6. Существующие методы расчета печных рольгангов..........82

1.7.Постановка задачи разработки теории и методов обеспечения надежности печных рольгангов............................91

2.АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧНЫХ РОЛЬГАНГОВ..............................95

2.1. Анализ эксплуатационной надежности......'..........95

2.1.1. Ролики с охлаждаемыми цапфами....................95

2.1.2. Ролики с охлаждаемым валом. ■ ■ ■)................106

2.2.Исследование механических нагрузок, ^действующих на ролики..........................................................115

2.3.Тепловой режим работы роликов с охлаждаемыми цапфами. . 120

2.4.Тепловой режим работы роликов с охлаждаемым валом. . . 138 2. 5. Свойства материалов бочек роликов......................144

Выводы по главе........................................162

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПЕЧНЫХ РОЛИКОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ОЦЕНКА ИХ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ....................... 165

3.1. Ролики с охлаждаемыми цапфами............. 165

3.1.1.Расчет механических, нагрузок, действующих на ролики........................... 165

3.1. 2. Температурное поле бочки ролика.........189

3.1.3.Термонапряженное состояние бочки ролика и оценка его долговечности................... 202

3.1.4.Сравнение расчетных и экспериментальных данных. . 213 3.2.Особенности расчета роликов с охлаждаемым валом. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.......... 221

Выводы по главе....................228

4.ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РОЛИКОВ И ОЦЕНКА ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТИ. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РОЛИКОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЛАГОПРИЯТНЫХ УСЛОВИЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ........................230

4.1.Анализ термонапряженного состояния роликов с охлаждаемыми цапфами......................... 231

4.1.1. Режим работы рольганга на проход.........231

4.1.2. Режим работы рольганга - покачивание.......233

4.2.Выбор рациональных конструктивных параметров роликов и определение благоприятных условий эксплуатации роликов с охлаждаемыми цапфами..................... 241

4.2.1.Выбор рациональных конструктивных параметров. . . 241 4.2.2.Определение благоприятных условий и режимов эксплуатации....................... 254

4.3.Анализ термонапряженного состояния роликов с охлаждаемым валом...........................265

4.3.1.Механизм взаимодействия несущих элементов ролика с

охлаждаемым валом...................277

4.4.Пути повышения долговечности и улучшения теплотехнических характеристик роликов с охлаждаемым валом.......281

4.4.1.Разработка новой конструкции системы водяного охлаждения ролика...................................295

Выводы по главе........................................306

5.ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРИВОДОВ ВРАЩЕНИЯ

РОЛИКОВ И ИХ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ............................310

5.1.Исследования и анализ работы существующих приводов вращения......................................................310

5. 2. Расчет мощности привода вращения роликов................323

5.3.Совершенствование конструкций подшипниковых опор роликов........................................................334

Выводы по главе........................................339

6.ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПОВЫШЕНИЕ

НАДЕЖНОСТИ ПЕЧНЫХ РОЛЬГАНГОВ. . ...........................340

6. ^Проектирование..........................................340

6.2. Эксплуатация............................................347

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................................360

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................364

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................376

ВВЕДЕНИЕ

В России и странах СНГ создан крупнейший металлургический комплекс, имеющий большой печной парк. Только в прокатном производстве эксплуатируется почти 1,7 тыс. печей перед станами горячей прокатки и около 5,5 тыс. термических печей [1,2]. Широкое распространение и в дальнейшем получат проходные печи с роликовым подом, протяжные и башенные печи, что связано с их высокой производительностью, с безграничными возможностями их совершенствования и многоцелевого использования [3]. В настоящее время в России и странах СНГ эксплуатируются более 200 проходных печей с роликовым подом, построенных по проектам институтов "Стальпроект", "Теплопро-ект" и государственных институтов по проектированию металлургических заводов. Используют эти печи также на машиностроительных, автомобильных и сталепрокатных заводах.

Основным транспортирующим средством в печах с роликовым подом, протяжных и башенных печах являются ролики. Печные рольганги являются наиболее дорогой и ответственной частью печи, от которой зависит экономичность и надежность всего агрегата. В зависимости от температуры рабочего пространства печи применяют ролики: с охлаждаемыми цапфами, с охлаждаемым валом или с охлаждаемой бочкой. Ролики изготовляют из жаропрочных хромоникелевых сталей и сплавов, у которых суммарное содержание хрома и никеля может превышать 80%. В одной печи с роликовым подом одновременно в работе может находится до

260 роликов с диаметром бочки 500 мм и ее длиной до 4 м. В проходных печах толотолистового цеха (стан 3600) металлургического комбината "Азовсталь" единовременно в печах установлено 968 роликов массой 2600 кг каждый. В башенных печах устанавливают ролики, имеющие бочку диаметром 600-1400 мм и длиной до 2м.

Эксплуатируются ролики в тяжелых условиях, поэтому часто требуют замены из-за поломок или по технологическим причинам, когда происходит налипание на бочку окалины, которая повреждает поверхность металла. Срок службы роликов колеблется в широких пределах - от 2-3 месяцев до нескольких лет. Ежегодный расход роликов как запасных частей может достигать сотен штук для одного цеха. Например, для толстолистового цеха комбината "Азовсталь" ежегодный расход в конце 70-х -начале 80-х годов достигал 450 шт.

Опыт эксплуатации многочисленных конструкций роликов показал, что ролики одинаковой конструкции могут иметь различную долговечность, работая в одной печи. Расчеты роликов на прочность по существующей методике [4] показали, что они обладают высоким запасом прочности, однако расчетные напряжения не объясняют причин выхода роликов из строя.

Вопросом повышения долговечности печных роликов посвящены работы Тымчака В.М., Руденко A.A., Борбоца Ю.С., Кравченко В.И., Кочо B.C., Барзиловича B.C., Цехновича Л.И., Ро-гальского A.B., Роспасиенко В.И., Миллера В.В., Неделько В. М., Марченко С. И. и др.

При значительном количестве роликов различных конструкций большинство из них имеет неудовлетворительную долговечность. Данные по условиям эксплуатации роликов в литературе крайне скудны ввиду сложности проведения экспериментальных работ в промышленных условиях. Исследования, проводимые на стендах, не отражают многообразия объективных производственных факторов влияющих на долговечность роликов.

В состав печных рольгангов кроме непосредственно печных роликов входят подшипниковые опоры и привод вращения роликов, которые самым непосредственным образом влияют на долговечность роликов.

Кроме того, важным параметром печного рольганга является шаг роликов, оказывающий влияние на долговечность последних, качество нагрева и безаварийность работы печи.

Для решения проблемы повышения долговечности печных рольгангов (как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации) важно правильно выбрать конструкцию ролика и материал бочки, определить структуру механической части рольганга (число роликов и двигателей на один привод, вид передачи и т.д.), определить структуру электрической части рольганга (какой ток двигателей, индивидуальное или групповое питание, регулирование).

Все сказанное определяет актуальность работ, направленных на теоретическое и практическое решение проблемы повышения надежности печных рольгангов проходных печей.

Цель диссертации заключается в разработке теории и методов обеспечения надежности печных рольгангов проходных печей прокатных станов, позволяющих существенно повысить дол-

говечность роликов.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи: провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований, разработать методику расчета прочностных параметров, применить разработанную методику для расчетов роликов на прочность, выявить причины выхода их из строя, разработать методику расчета других элементов печных рольгангов, разработать и научно обосновать требования, предъявляемые к конструкциям печных рольгангов, к условиям и режимам их эксплуатации, создать и внедрить новые конструкции печных роликов, обладающие повышенной долговечностью, усовершенствовать условия эксплуатации печных рольгангов.

При решении указанной проблемы в диссертационной работе были получены следующие новые научные результаты.

1. С помощью комплекса экспериментальных исследований установлены закономерности термомеханического нагружения печных роликов с охлаждаемыми цапфами и с охлаждаемым валом в промышленных условиях.

2. Разработана методика расчета роликов на прочность, учитывающая реальные условия эксплуатации и включающая:

- определение динамических и статических механических нагрузок, действующих на ролики;

- определение температурного поля ролика;

- определение термомеханического напряженно-деформированного состояния роликов;

- оценка долговечности роликов по критериям термоусталости и остаточного прогиба.

3. Разработана методика расчета шага роликов, привода вращения и узла охлаждения роликов с охлаждаемым валом, учитывающие изменения параметров печного рольганга и режимов его работы во время эксплуатации.

4. Разработаны и научно обоснованы требования, предъявляемые к конструкциям печных рольгангов, к условиям и режимам их эксплуатации.

Разработанные теория и методы обеспечения надежности печных рольгангов проходных печей прокатных станов позволили решить ряд практических задач повышения долговечности печных рольгангов как на вновь создаваемых, так и на действующих печных агрегатах.

1. Результаты работы внедрены на стадии проектирования:

- АХК ВНИИМЕТМАШ им.Акад.А.И.Целикова - термические печи стана 5000 АО "Ижор'ские заводы";

~ АО "Стальпроект" - печи для металлургического завода в г.Кремиковцы (Республика Болгария);

- АО "Укргипромез" (г.Днепропетровск, Украина) - термические печи стана 3000 Мариупольского металлургического комбината им.Ильича (Украина);

- АО "Гипросталь" (г.Харьков, Украина) - реконструкция печей стана 2800 Алчевского металлургического комбината (Украина).

2. Достигнута в условиях эксплуатации повышенная долговечность печных роликов за счет внедрения новых усовершенствованных конструкций, а также путем создания благоприятных

условий их эксплуатации: на нормализационных печах стана 3600 комбината "Азовсталь" (МК "Азовсталь"), на нагревательных печах Челябинского металлургического комбината (ЧМК или АО "МЕЧЕЛ") и Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО или АО "ВСМПО"), на термических печах Череповецкого (ЧерМК или АО "Северсталь") и Орско-Ха-лиловского (ОХМК или АО "НОСТА") металлургических комбинатов.

3. Впервые в Российской Федерации на базе АО "Буммаш" (г.Ижевск) по инициативе и под техническим руководством автора организовано специализированное производство печных роликов для большинства металлургических предприятий страны. Изготовлено и поставлено для действующих печей более 700 штук роликов новых и усовершенствованных конструкций.

Разработанные теория и методы обеспечения надежности печных рольгангов нашли отражение в 16 авторских свидетельствах и патентах.

В результате выполнения работы решена крупная научно-техническая проблема повышения надежности печных рольгангов проходных печей, работающих в различных отраслях промышленности.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Экспериментально выявлены закономерности термомеханического нагружения печных роликов, а также элементов конструкции печных рольгангов проходных печей в процессе их эксплуатации.

2. Разработаны методики расчета печных роликов на прочность, расчета шага роликов, привода вращения и нового узла охлаждения роликов с охлаждаемым валом, учитывающие изменение параметров печного рольганга и режимов его работы во время эксплуатации (кривизна и дисбаланс роликов, возможные остановки роликов, отключение охлаждающей воды и т.д.).

3. Сформулированы и научно обоснованы требования, предъявляемые к конструкциям дечных рольгангов и к условиям их эксплуатации, повышающие долговечность печных роликов и снижающие их расход как запасных частей.

4. Результаты применения теории и методов обеспечения надежности печных рольгангов использованы при создании оригинальных конструкций печных роликов с охлаждаемыми цапфами и валом как для вновь строящихся (реконструируемых) проходных печей, так и для действующих агрегатов на ряде металлургических комбинатов России и Украины

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтвержена сравнением расчетных данных по температурам с экспериментальными, Повышением долговечности роликов на ряде проходных печей листопрокатных станов, а также длительной эксплуатацией новых конструкций роликов.

Основное содержание работы отражено в одной монографии, 18 статьях и 16 авторских свидетельствах и патентах.

1.ПРОХОДНЫЕ ПЕЧИ С РОЛИКОВЫМ ПОДОМ. КОНСТРУКЦИИ ПЕЧНЫХ РОЛЬГАНГОВ И ПРОБЛЕМЫ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.

1.1.Назначение, краткая характеристика, основные элементы печей.

Существующие печи по своему технологическому назначению делятся на: 1) нагревательные и 2) термические. Нагревательные печи используют для нагрева заготовок перед последующей обработкой давлением - прокаткой, ковкой, штамповкой и т.п. Нагрев изделий под термообработку производится в термических печах, например закалочных, нсрмализационных, отпускных и

др.

По конструктивному исполнению все печи делятся на: 1) камерные печи с периодической загрузкой и 2) печи непрерывного действия. К первым относятся печи с выдвижным подом, колпаковые, муфельные и др. Ко вторым - толкательные, конвейерные, роликовые, с шагающими балками, башенные и др. [4].

Наибольшее распространение печи получили в металлургической промышленности. В прокатных цехах для нагрева металла перед прокаткой и для его термической обработки используют практически все типы печей как периодического, так и непрерывного действия. Наиболее высокой производительностью обладают печи непрерывного действия: 1) конвейерные; 2) с шагающим подом; 3) с роликовым подом [3,4].

Конвейерные печи из-за ряда недостатков имеют ограниченное применение. Основными недостатками являются значительные потери тепла с цепями и низкая стойкость последних.

Печи с шагающими балками из-за ограниченного диапазона регулирования скоростей перемещения садки применяют для нагрева изделий с большой массой и узкого сортамента. Для таких печей характерны сложность механизмов и их низкая надежность, а также высокие потери тепла.

Печи с роликовым подом получили наибольшее распространение, так как обладают целым рядом преимуществ перед другими видами печей [5]: 1) практически неограниченная длина печи, позволяющая проектировать печи большой производительности; 2) высокая удельная производительность в результате двухстороннего нагрева металла; 3) минимальный угар металла; 4) высокая степень механизации транспортировки'обрабатываемого металла; 5) возможность автоматизации процесса; 6)

г

простота обслуживания. Особенно эффективными проходные печи оказались в условиях прокатного производства, где роликовый под является продолжением рольгангов и где необходима высокая производительность, достигающая 240 т/ч [6].

Наиболее широко применяют роликовые печи для термической обработки стальных листов, рельсов, труб и различных заготовок. Роликовый под печи позволяет органично скомпоновать печные агрегаты с агрегатами для термической обработки, камерами для охлаждения, рольгангами для охлаждения, душирую-щими установками и закалочными прессами.

Самой простой по компоновке является установка для нормализации, которая состоит из печи с прилег�