Исследование и разработка конструкции бандажированного опорного валка стана 2500 горячей прокатки (diplom)

Посмотреть архив целиком

Содержание


Содержание 1

Введение 3

1 Краткий обзор составных прокатных валков. Характеристика стана 2500. Сортамент стана. 4

1.1 Краткий обзор и анализ конструкций составных прокатных валков 4

1.2 Характеристика стана горячей прокатки 2500 8

1.3 Сортамент стана по маркам стали и размерам полос 9

2 Исследование и разработка конструкции бандажированного опорного валка стана 2500 горячей прокатки 10

2.1 Выбор натяга, формы, толщины бандажа и расчет несущей способности соединения 10

2.2 Расчет напряжений в бандажированном опорном валке 16

2.3 Расчет на кратность использования оси составного опорного валка 30

2.4 Определение циклической выносливости в сечении 1-1 33

2.5 Определение циклической выносливости в сечении 2-2 36

2.6 Определение зоны проскальзывания и прогиба составного и цельного опорного валка 37

2.7 Определение прогиба цельного опорного валка 37

2.8 Определение прогиба и зоны проскальзывания для составного опорного валка 39

2.9 Разработка мероприятий для предотвращения фреттинг – коррозии на осадочных поверхностях и повышения поверхности валка 46

2.10 Исследование влияния покрытий сопрягаемых покрытий на несущую способность соединения ось – бандаж. Выбор материала и технологии нанесения покрытия. 48

2.11 Выбор материала оси и бандажа и способы их термообработки 52

3 Рекомендации по замене использованных бандажей 56

4 Экономическое обоснование проекта 57

4.1 Расчет производственной программы 57

4.2 Расчёт сметы капитальных затрат 58

4.3 Организация труда и заработной платы 59

4.4 Расчет отчислений на социальные нужды 63

4.5 Расчет себестоимости продукции 64

4.6 Расчет основных технико-экономических показателей 65

Заключение 68

Список использованных источников 70














Введение


Целью данной дипломной работы является разработка конструкции составных опорных валков, обеспечивающей их надежность в процессе эксплуатации, повышение из стойкости и снижение стоимости.

Валки являются главным элементом прокатной клети, с помощью которого осуществляется обжатие прокатываемой полосы. Требования, предъявляемые к прокатным валкам, разнообразны и касаются не только их эксплуатации, но и процесса изготовления. Прокатный валок работает при одновременном воздействии на него усилия прокатки, крутящего момента, температуры в очаге деформации и т.п. поэтому, одним из главных требований является высокая износостойкость и термоусталостная прочность, обуславливающие малый и равномерный износ валков.

Одним из путей повышения стойкости прокатных валков и снижения их металлоемкости является использование составных валков. Применение бандажей из высокопрочных материалов, возможность замены изношенных бандажей при многократном использовании оси дадут большой экономический эффект.

В настоящее время в 5,6 чистовых клетях стана 2500 ОАО ММК применяются опорные валки 1600х2500 мм, которые изготавливают из кованной стали 9ХФ. В данной работе предлагается использовать составные валки с бандажом из литой стали 150ХНМ или 35Х5НМФ. В качестве осей предлагается использовать отработанные цельнокованые валки. Опыт эксплуатации валков из подобных материалов свидетельствует, что их износостойкость в 2-2,5 раза выше, чем кованых. Соединение бандажа с осью осуществляется по посадке с гарантированным натягом. С целью увеличения передаваемого крутящего момента на посадочную поверхность оси предлагается наносить металлическое покрытие, значительно увеличивающее коэффициент трения, площадь фактического контакта оси и бандажа и его теплопроводность.

  1. Краткий обзор составных прокатных валков. Характеристика стана 2500. Сортамент стана.


1.1 Краткий обзор и анализ конструкций составных прокатных валков

Основные достоинства составных валков:

  • возможность изготавливать бандаж и ось из материалов с различными механическими и теплофизическими свойствами;

  • возможность замены изношенного бандажа при многократном использовании оси валка;

  • термическую обработку бандажа оси можно производить раздельно, что позволяет увеличить прокаливаемость, получить одинаковую твердость по всей толщине бандажа и снизить градиент остаточных напряжений, который в сплошном валке большой массы весьма высок.

Выпуск бандажированных опорных валков листовых станов освоили еще в 70-х годах прошлого века. Бандаж и ось соединяются, как правило, тепловым способом по посадке с гарантированным натягом; бандажи изготавливаются кованые или литые, оси кованные, для их изготовления обычно используют списанные валки. Отверстие в бандаже чаще всего цилиндрическое, посадочное место оси может быть цилиндрическим, бочкообразным или близким к нему по форме для уменьшения концентрации напряжений у торцов бандажа после сборки.

По способу крепления бандажей составные валки можно разделить на следующие группы:

  • использование посадки с гарантированным натягом;

  • применение различных механических способов крепления бандажа;

  • использование легкоплавных сплавов и клеевых соединений.

Усовершенствованию конструкций, методам производства и сборки, повышению технологических характеристик составных валков посвящены многие работы отечественных и зарубежных ученых. Большое место занимают работы по обеспечению надежного соединения бандажа с осью.

Так, например, в работе [1] предлагается использовать составной прокатный валок, содержащий бандаж с натягом, и наложенный на ось с каналами, выполненными по спирали на контактирующей с бандажом поверхности, и буртом. В работе [2] предлагается к использованию валок с составным бандажом из спеченного карбида вольфрама. В ряде работ последних лет [3,4] все чаще предлагается к использованию наплавленные бандажи из высоколегированных сплавов. Во многих случаях, при упрощении технологии изготовлении валка и повышении износостойкости его поверхности, существенно возрастает стоимость, за счет применения большого числа легирующих элементов. Потому, с целью увеличения срока эксплуатации валков, многие авторы посвящают свои работы усовершенствованию конструкции составных прокатных валков.

В работах [5,6] предлагаются составные валки, содержащие несущую профилированную ось и бандаж с профилированной внутренней поверхностью, насаживаемый с натягом с возможностью свободного перемещения его участков меньшего диаметра в нагретом состоянии вдоль несущей оси через участки с большим диаметром по длине. Причем образующие поверхностей бочки оси и бандажа выполнены профилированными в виде плавной кривой по определенным зависимостям (рисунок 1,2). К недостаткам таких валков можно отнести сложность их изготовления, невозможность проконтролировать требуемую кривизну профиля посадочных поверхностей, а в случае [6] еще и ограничены сроки эксплуатации валка, вызванные малым числом возможных переточек бандажа, вследствие возникновения растягивающих напряжений в средней части от разогрева и теплового расширения несущей оси в процессе работы прокатной клети (рисунок 2). Но главным недостатком все же можно считать сложность кривых, описывающих профили сопрягаемых поверхностей, которая затрудняет процесс токарной обработки, а точность, требуемая при

и
х изготовлении практически невыполнима при технологиях, существующих на машиностроительных заводах.

Рисунок 1 – Составной прокатный валок



Рисунок 2 – Составной прокатный валок


В
работе [7], в условиях стана 2500 ОАО ММК предлагается использовать составной опорный валок, выполненный в соответствии со схемой на рисунке 3. Недостатком такого валка является наличие переходного участка оси от бурта к конусной части, являющуюся концентратором повышения напряжений, что может привести к поломке оси при повышенных нагрузках и прогибе, а также ограничение срока его эксплуатации. Кроме того, данная конструкция нетехнологична в изготовлении.

Рисунок 3 – Составной прокатный валок


Задачей предлагаемого изготовления составного опорного валка является наиболее простое техническое решение, которое увеличит срок эксплуатации за счет обеспечения постоянного натяга по всей длине сопрягаемых поверхностей.

Предлагается посадочное место бандажа и оси выполнить цилиндрическими, с точки зрения простоты и технологичности изготовления. На кромках оси сделать разгружающие фаски – скосы, для уменьшения концентрации напряжений. Для повышения несущей способности соединения и работоспособности валка основное внимание следует сосредоточить на выборе величины оптимального натяга, разработке мероприятий, существенно увеличивающих коэффициент трения на сопрягаемых поверхностях и теплопроводность контакта ось – бандаж.

При прочностных расчетах необходимо выбрать методику, позволяющую учитывать влияние усилий прокатки на напряженно – деформированное состояние бандажа.


1.2 Характеристика стана горячей прокатки 2500

Широкополосный стан горячей прокатки 2500 состоит из участка загрузки, участка нагревательных печей, черновой и чистовой групп с промежуточным рольгангом между ними и линии смотки.

Участок загрузки состоит из склада слябов и загрузочного рольганга, 3 подъемных столов со сталкивателями.

Участок нагревательных печей состоит из собственно 6 нагревательных методических печей, рольганга перед печами с толкателями и подпечного рольганга после печей.

Черновая группа состоит из клетей:

  • реверсивная клеть дуо;

  • уширительная клеть кварто;

  • реверсивная универсальная клеть кварто;

  • универсальная клеть кварто.

Чистовая группа включает летучие ножницы, чистовой окалиноломатель (клеть дуо), 7 клетей кварто. Между клетями установлены устройства ускоренного охлаждения полос (межклетьевое охлаждение).

Промежуточный рольганг обеспечивает сброс и разделку недостатков (планируется оснащение рольганга тепловыми экранами типа энкопанель).

Линия смотки включает отводящий рольганг с 30 секциями охлаждения полосы (верхнее и нижнее душирование), четыре моталки, тележки с подъемно-поворотными столами.


1.3 Сортамент стана по маркам стали и размерам полос

Широкополосный стан 2500 предназначен для горячей прокатки полос из следующих сталей:

  • сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 16523-89, 14637-89 марок стали по ГОСТ 380-71 и действующим ТУ;

  • сталь свариваемая для судостроения по ГОСТ 5521-86;

  • сталь углеродистая качественная конструкционная по ГОСТ 1577-81, 4041-71, 16523-89, 9045-93 и действующим ТУ;

  • сталь легированная марки 65Г по ГОСТ 14959-70;

  • сталь низколегированная по ГОСТ 19281-89;

  • сталь 7ХНМ по ТУ 14-1-387-84;

  • сталь углеродистая и низколегированная экспортного исполнения по ТП, СТП на основе иностранных стандартов.

Предельные размеры полос:

  • толщина 1,810 мм;

  • ширина 10002350 мм;

  • вес рулона до 25 т.










  1. Исследование и разработка конструкции бандажированного опорного валка стана 2500 горячей прокатки


2.1 Выбор натяга, формы, толщины бандажа и расчет несущей способности соединения

Опорный валок 5,6 клетей стана 2500 горячей прокатки ОАО ММК в соответствии с рисунком 4 имеет следующие основные размеры:

  • длина бочки l=2500 мм;

  • максимальный наружный диаметр бочки d=1600 мм;

  • минимальный наружный диаметр d=1480 мм;

  • диаметр шеек в месте соединения с бочкой 1100 мм;

Посадочное место бандажа – цилиндрическое. На расстоянии 100 мм от каждого края оси предлагается сделать разгружающие фаски высотой 10 мм для уменьшения концентраций напряжений бандажа после сборки. Это объясняется тем, что бандаж соединяется с осью тепловым способом, а при формировании соединения края бандажа остывают быстрее, чем его средняя часть, что приводит к появлению концентрации напряжения и дает дополнительную возможность развития фреттинг-коррозии и усталостных трещин в дальнейшем

Часто, для предотвращения сползания бандажа в осевом направлении на оси выполняется буртик, а на бандаже проточка, или же посадочные поверхности имеют форму конуса. В данном случае такие приспособления не используются, так как возможно предположить, что при достаточно большой длине сопрягаемых поверхностей осевого сдвига происходить не будет, а прочность соединения также обеспечится гарантированным натягом и возможным увеличением коэффициента трения на поверхностях за счет нанесения на них металлического покрытия или абразивного порошка.

Также, эта конструкция существенно проще и дешевле в изготовлении.

Анализ факторов, влияющих на выбор посадочного диаметра показывает, что область оптимальных значений отношений посадочного и внешнего диаметров колеблется в интервале d/d2 =0,5…0,8. [8]

Если говорить о выборе натяга соединения, то здесь можно столкнуться с разногласиями. На практике оптимальный натяг обычно принимается равным 0,8-1% от посадочного диаметра: =(0,0080,01)d. Некоторые авторы советуют увеличить его до 1,3%, а некоторые, наоборот, снизить до 0,5%

Для расчетов выберем три различных значения натягов: 1=0,8 мм; 2=1,15 мм; 3=1,3 мм.

Также, для сравнения и выбора оптимальных критериев соединения будем производить расчеты для разных коэффициентов трения и толщин бандажа.

f1=0,14

dпосад1=1150 мм

f2=0,3

dпосад2=1300 мм

f3=0,4


Как указывалось выше, величину коэффициента трения можно изменить, нанеся какое-либо покрытие на сопрягаемые поверхности.

Наибольшая толщина бандажа(dпосад=1150 мм) обуславливается его прохождением через шейки прокатного валка при сборке.

Не принимается во внимание dпосад > 1300 мм, так как при достижении минимального наружного диаметра (d2=1480 мм) бандаж станет слишком тонким.

Произведем расчет некоторых параметров несущей способности соединения при заданных условиях.

  1. Наибольшая осевая сила, которую может выдержать соединение [9]:

(1)

где К – давление на посадочной поверхности, МПа;

F=dl – площадь посадочной поверхности, мм2; (d и l – диаметр и длина посадочной поверхности соответственно, мм)

f – коэффициент трения между сопрягаемыми поверхностями.

Давление К на посадочных поверхностях зависит от натяга и толщины стенок охватывающей и охватываемой детали.

Согласно формуле Ляме:


(2)

где d – относительный диаметральный натяг;

- коэффициент.



(3)


где Е12 =2,1х105 Н/мм2 – модули упругости оси и бандажа;

1=2=0,3 – коэффициенты Пуассона для стали оси и бандажа

С12 – коэффициенты, характеризующие тонкостенкость;



(4)




(5)


где d1 и d2 – соответственно внутренний диаметр оси и наружный диаметр бандажа.

Для данного случая отверстия в оси нет – d1=0, а за диаметр d2 принимаем средний диаметр валка:




Тогда С1=1 (d1=0).

  1. Наибольший крутящий момент, передаваемый соединением:


(6)

  1. Напряжение сжатия в оси максимально на внутренней поверхности:


(7)


  1. На внутренней поверхности бандажа максимальные растягивающие напряжения:


(8)



Результаты вычислений сведены в таблицу 1.

Выводы: Как видно, давление К, а, следовательно, и несущая способность соединения пропорциональна натягу и обратно пропорциональна коэффициентам С1 и С2, характеризующим тонкостенкость.

Разность посадочных диаметров составляет всего 150 мм, но при одинаковых натягах различие контактного давления почти вдвое больше для меньшего диаметра.

Следует заметить, что и напряжение сжатия в оси также меньше в случае для более тонкого бандажа, но напряжения растяжения в бандаже с изменением его толщины остаются практически неизменными.

Таблица 1 - Характеристика прокатных валков 5,6 клетей стана 2000 и их несущая способность при различных значениях диаметров, натягов, коэффициентов трения в соединении


Давление металла на валки, т

Р=3000

Момент прокатки, тм

Мпр=217

Наружный диаметр бандажа, мм

d2=1600 (1480) dср=1540

Длина сопряжения, мм

l = 2500

Диаметр сопрягаемых поверхностей, мм

d=1150 (C2=3,52)

d=1300 (C2=5,96)

Площадь посадочной поверхности кв.мм

F=9,0275x106

F=10,205x106

Натяг, мм

1 = 0,8

2 = 1,15

3 = 1,3

1 = 0,8

2 = 1,15

3 = 1,3

Контактное давление, Мпа

K=32,32

K=46,46

K=52,52

K=18,57

K=26,7

K=30,18

Напряжение на оси валка, Мпа

ст=64,64

ст=92,92

ст=105,04

ст=37,14

ст=53,4

ст=60,36

Напряжение в бандаже, Мпа

раст=146,1

раст=210,1

раст=237,5

раст=129,2

раст=185,8

раст=210

Коэффициент трения f

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

Наибольшая осевая сила Рос, т

4084

8753

11670

5871

12825

16776

6637

14223

18964

2653

5685

7580

3814

8174

10899

4311

9239

12319

Наибольший крутящий момент Мкр, тм

2348

5033

6710

3376

7234

9646

3816

8178

10904

1724

3695

4927

2479

5313

7084

2808

6005

8007



Рисунок 4 - Составной прокатный валок


С увеличением коэффициентов трения несущая способность соединения также существенно возрастает, как в случае с d=1150 мм так и с d=1300 мм, но в случае с d=1150 мм более максимальна.

Важным является то, что для всех условий соединением обеспечивается передача крутящего момента с хорошим запасом прочности

Мпркр

Причем запас прочности увеличивается по мере роста контактного давления в соединении, вызванного натягом.

В целом можно сказать, что в обоих случаях обеспечивается хорошая несущая способность соединения и достаточно небольшие напряжения в деталях валка, но более предпочтительным является бандаж, внутренний диаметр которого d=1150 мм, за счет значительного увеличения все той же несущей способности.



2.2 Расчет напряжений в бандажированном опорном валке

Напряжения в составном опорном валке стана 2500 определяются для тех же основных технических данных, заданных в пункте 2.1. Требуется определить контактные напряжения на посадочной поверхности бандажа и оси.

Область бандажа обозначим через S2, а область вала через S. Радиус поверхности сопряжения после сборки обозначим R, а внешний радиус бандажа R2.

На внешнем контуре бандажа C2 приложена сила P, равная по величине давлению металла на валки P0. Принимая P=P0, имеем систему сил, находящихся в равновесии. Посадочная поверхность образует контур C.

Расчетная схема представлена на рисунке 5.




















Рисунок 5 – Расчетная схема для определения контактных напряжений в валке


При решении задачи напряжения удобно определять в полярных координатах. Нашей задачей является определить:

r – радиальные напряжения

- тангенциальные (окружные) напряжения

r - касательные напряжения.

Вычисления компонентов напряжений обычно весьма громоздки в общем виде и в расчетах. Используя метод Н.И. Мусхелишвили применительно к поставленной задаче и выполняя решение аналогично приведенного в работе [10] определяются напряжения на посадочной поверхности бандажа в виде формул, удобных для численной реализации [11]. Окончательные выражения имеют вид:





(9)





(10)





(11)


где P=P0 – удельная нагрузка на единицу длины бандажа от внешней силы;

R – радиус контактной поверхности;





h и g – просуммированные в замкнутом виде ряды, отражающие особенность решения в зонах точек приложения сосредоточенных сил P и позволяющие улучшить сходимость рядов;

- угловая координата точек контура C;


  • постоянная Мусхелишвили;

=0,3 - коэффициент Пуассона;

- угол, отсчитываемый от оси х, до точки приложения силы Р;

n=R2/R – коэффициент, характеризующий толщину бандажа.

Последние слагаемые в формулах (9) и (10) представляют собой составляющие напряжений, зависящие от натяга. Тогда радиальные и тангенциальные напряжения в составном валке определяются из двух компонентов, из напряжений, вызванных натягом и нормальной нагрузкой:

r=rp+r (12)

=p+ (13)

Нормальные напряжения от натяга определяются по формуле [12]:


(14)

где К – контактное давление от натяга (см. табл.1), МПа;

n=R2/R – относительная толщина бандажа.

Расчет напряжений производится по следующей формуле:


(15)


где - половина величины натяга;

Е – модуль упругости первого рода.

Касательные напряжения на поверхностях от натяга, как известно, отсутствуют. [8]

Тогда напряжения rp, p и r можно представить в виде:




(16)






(17)






(18)



На ЭВМ были просчитаны значения величин rp, p и r для различных значений n [11], часть которых приведена в таблице 2.

Значения напряжений представлены в виде безразмерных коэффициентов Ср, С, С, которые следует умножить на величину P/(R2x103), где Р – внешняя нагрузка на единицу длины бандажа, Н/мм; R2 – наружный радиус бандажа.




Для определения компонентов напряжений необходимо знать только n (относительную толщину бандажа) и (полярную угловую координату точки, в которой определяются напряжения).

В соответствии с рисунком 5 при заданных условиях равенства нулю главного вектора и главного момента силы Р, эпюры напряжений на контакте симметричны относительно оси y, то есть достаточно определения напряжений в 2х из 4х четвертей, например, в I и IV (от 3/2 до /2 рад).

Характер распределения напряжений по контакту ось – бандаж представлен на рисунках 6, 7, 8.


Таблица 2 – Составляющие напряжений и радиальные, тангенциальные, касательные напряжения на посадочной поверхности бандажа от воздействия силы Р = 1200 кг/мм клетей 5,6 стана 2500

Ср

rp,МПа

Ср

rp,МПа

С

р,МПа

С

р,МПа

С

р,МПа

С

р,МПа

N=1,34 (d=1150 мм)

n=1,19 (d=1300 мм)

n=1,34

n=1,19

n=1,34

N=1,19

90

6,84

1,43

3,82

0,71

-14,6

-3,05

-16,6

-3,07

0

0

0

0

110

6,49

1,35

3,62

0,67

-14,21

-2,97

-15,88

-2,93

1,9

0,4

1,16

0,21

130

5,51

1,15

3,02

0,56

-13,13

-2,74

-13,75

-2,54

3,51

0,73

2,17

0,4

150

4,02

0,84

2,12

0,39

-11,7

-2,44

-10,78

-1,99

4,53

0,95

2,86

0,53

160

3,13

0,65

1,59

0,29

-11,03

-2,3

-9,12

-1,68

4,74

0,99

3,04

0,56

170

2,23

0,46

1,04

0,19

-10,52

-2,2

-7,45

-1,38

4,68

0,98

3,09

0,57

180

1,3

0,27

0,48

0,09

-10,33

-2,16

-5,95

-1,1

4,28

0,89

2,98

0,55

190

0,38

0,08

-0,1

-0,02

-10,66

-2,23

-4,8

-0,89

3,46

0,72

2,68

0,49

200

-0,52

-0,11

-0,57

-0,11

-11,82

-2,47

-4,25

-0,78

2,06

0,43

2,12

0,39

210

-1,51

-0,32

-1,03

-0,19

-14,27

-2,98

-4,73

-0,87

-0,12

-0,03

1,15

-0,21

220

-2,73

-0,57

-1,47

-0,27

-18,72

-3,9

-6,98

-1,3

-4,41

-0,92

-0,53

-0,1

230

-5,23

-1,09

-2,07

-0,38

-26,23

-5,47

-12,48

-2,3

-11,85

-2,47

-3,8

-0,7

240

-12,54

-2,62

-3,87

-0,71

-37,61

-7,85

-24,48

-4,52

-26,68

-5,57

-11,34

-2,09

250

-39,3

-8,2

-13,84

-2,56

-48,25

-10,07

-49,57

-9,15

-57

-11,9

-33,34

-6,15

260

-135,94

-28,37

-92,66

-17,1

-22,98

-4,8

-77,46

-14,3

-94,86

-19,8

-105,04

-19,4

262

-168,7

-35,2

-126,15

-23,3

-7,65

-1,6

-70,24

-12,97

-93,6

-19,5

-124,96

-23,07

264

-203,04

-42,37

-205,64

-37,96

10,25

2,14

-50,66

-9,35

-84,04

-17,54

-138,25

-25,52

266

-234,84

-49,01

-291,12

-53,75

27,99

5,84

-16,47

-3,04

-51,02

-10,65

-132,57

-24,47

268

-257,9

-53,82

-379,56

-70,07

41,45

8,65

-26,36

4,87

-35,51

-7,41

-88,7

</