УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
Разработчик (Авторы)	Быстров В.А., Веревкин В.И., Селянин И.Ф., Морозов В.А., Анохина Н.К., Зайнутдинов Х.Ф.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2183530
Дата регистрации	13.11.2000
Правообладатель	Сибирский государственный индустриальный университет
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к электрошлаковому процессу, и может быть использовано для производства бандажированных прокатных валков.

Известно устройство для изготовления биметаллических прокатных валков (Авторское свидетельство СССР 1323226, кл. В 22 D 19/16, 1987). В литейной форме соосно установлена наружная чугунная оболочка валка (бандаж) и трубчатый расходуемый электрод. В форму подают жидкий шлак, затем снизу сифоном или сверху через полость трубчатого электрода постепенно подают расплавленную сталь, поддерживая скорость подъема металлической ванны в заливаемой полости в соответствии со скоростью плавления трубчатого электрода (1-10)10^-3 м/с.

Недостатком известных устройства и способа является нестабильный характер электрошлакового процесса, особенно при больших скоростях подъема металлической ванны, составляющих (7-10)10^-3 м/с. Кроме того, характер внутренних напряжений, возникающих на поверхности раздела ось - бандаж, характеризующейся плоской контактной поверхностью двух материалов (высоколегированного материала бандажа и низколегированной стали оси валка, имеющих разные физико-механические и теплофизические свойства), приводит к возникновению внутренних термических напряжений, которые могут привести к отслоению бандажа от оси в процессе эксплуатации.

При эксплуатации бандажированных валков на контактной поверхности сопряжения ось - бандаж возникают различные усилия (напряжения). Давление на контактной поверхности, необходимое для передачи момента прокатки с оси на бандаж, вызывает напряжение P_к, которое можно рассчитать в первом приближении, принимая распределение давления равномерным, по формуле

где М_пр - момент прокатки; D_б - внутренний диаметр бандажа; L_б - длина контакта (длина бочки бандажа); f_тp - коэффициент трения или силы межатомной связи поверхности раздела ось - бандаж.

На контактной поверхности ось - бандаж при перепаде температур возникают радиальные термические напряжения, если материал бандажа значительно отличается от материала внутренней оси валка по теплофизическим свойствам. Радиальные термические напряжения на контактной поверхности ось - бандаж Р_вн (принимая за условие равномерное сплавление, а следовательно, ровную поверхность) в первом приближении можно рассчитать по формуле

где α₀ и α_б - средние значения коэффициентов линейного расширения соответственно материала оси и бандажа; μ₀ и μ_б - средние значения коэффициентов Пуассона; ΔT - перепад температур на поверхности раздела ось - бандаж; Е_о и Е_б - средние значения модуля упругости.

Сложение двух составляющих давления на контактной поверхности радиальных напряжений Р_к с радиальными термическими напряжениями Р_вн могут создавать значительные напряжения, превышающие предел прочности материала на поверхности раздела, а следовательно, привести к образованию трещин с последующим расслоением контактной поверхности ось - бандаж.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для изготовления биметаллических отливок прокатных валков, в котором электрод-соленоид размещен внутри бандажа, соосно установленного с литейной формой, на расстоянии 5-100 мм от его поверхности и снабжен стержневыми электродами, прикрепленными к его нижнему витку, причем электрод-соленоид и электрод-затравка подключены к разным клеммам источника питания, что позволяет осуществлять одновременно тепловое и электромагнитное воздействие на шлакометаллическую массу (Авторское свидетельство СССР 1613247, кл. В 22 D 19/04, опубл. 15.12.90. Бюл. 46). Из промежуточного устройства по оси валка через разливочный стакан с выпускным отверстием d=8 мм заливается сталь со скоростью подъема расплава в полости бандажа 5 мм/с.

Недостатком устройства является нестабильный характер электрошлакового процесса, т.к. при скорости подъема расплава 4-5 мм/с саморегулирование электрошлакового процесса является затруднительным, особенно при большом сечении сплошного электрода-соленоида, требующего большего вложения тепла, а следовательно, вызывающего максимальное проплавление внутренней стенки бандажа, что приводит к образованию ровной плоскости контактирования двух материалов, отличающихся по теплофизическим свойствам (высоколегированный сплав бандажа и низколегированная сталь оси валка) и, как следствие, к возникновению значительных радиальных термических напряжений.

Кроме того, большинство валков в процессе эксплуатации работают в реверсивном режиме, а витки электрода-соленоида закручены в одном направлении, следовательно, восприятие и перераспределение напряжений в момент прокатки в обратном направлении (при реверсировании) будет неадекватно, что может привести к образованию дополнительных тангенциальных напряжений.

Таким образом, известные способы и устройства для изготовления биметаллических прокатных валков не позволяют регулировать химический состав переходной контактной поверхности ось - бандаж, а следовательно, регулировать образование радиальных термических напряжений и не могут исключить образование дополнительных тангенциальных напряжений, возникающих на контактной поверхности ось - бандаж при реверсивной работе прокатных валков.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего повысить качество биметаллических (бандажированных) прокатных валков.

Задача реализуется следующим образом. В устройстве изготовления биметаллических прокатных валков, содержащем литейную форму с установленным в ней бандажом валка и прикрепленные к источнику питания электрод-затравку и электрод-соленоид, расположенный внутри бандажа на расстоянии 5-100 мм от его поверхности и содержащий стержневые электроды, прикрепленные к его нижнему витку, согласно изобретению электрод-соленоид выполнен из двух составных частей разнонаправленных витков и изготовлен из порошковой проволоки с шихтой заданного химического состава.

Такое выполнение электрода-соленоида обеспечивает релаксацию тангенциальных напряжений σ_τ, а для уменьшения радиальных термических напряжений Р_вн используется порошковая проволока с шихтой, обеспечивающей получение металла в переходной зоне контактной поверхности ось - бандаж, близкого по физико-механическим и теплофизическим свойствам к материалу бандажа и заливаемой стали оси валка.

Устройство для изготовления биметаллических прокатных валков представлено на фиг.1, а на фиг.2 показана схема релаксации тангенциальных напряжений на контактной поверхности ось - бандаж. Устройство состоит из литейной формы 1, составной частью которой является бандаж 2, состыкованный из двух разнонаправленных частей витков электрода-соленоида 3, изготовленного из порошковой проволоки и расположенного внутри полой оси валка на расстоянии 5-100 мм от стенки бандажа. Внутренняя полость оси валка заливается жидким металлом из промежуточного устройства 4 через сталеразливочный стакан 5 с выпускным отверстием d=8 мм, перекрываемым стопорным устройством 6. Промежуточное устройство 4 служит для наведения шлаковой ванны, подогрева ее графитовым электродом 7 и подачи в полость оси валка в начале электрошлакового процесса жидкого шлака, а затем и жидкого металла, который подается порциями в промежуточное устройство и накапливается в нем для поддержания заданного гидростатического давления. При заливке металла в полость бандажа подают напряжение на электроды, причем одну клемму источника питания подключают к электроду-соленоиду 3, другую - к электроду-затравке 8, расположенному на дне нижнего кокиля 9.

Регулирование тепловложения электрошлакового процесса, принцип которого описан в известном способе (Патент РФ 2080959, кл. В 22 D 19/16, 1997), при расплавлении электрода-соленоида 3, осуществляется стабилизацией тока относительно заранее известного I_шл поднятием или опусканием запорной части стопорного устройства 6. Если рабочая величина сварочного тока I_р превысила величину I_шл.зад, то стопорное устройство 6 поднимают, чтобы уменьшить подачу металла в полость оси, при этом межэлектродный промежуток Н_м.э (расстояние между нижним концом электрода-соленоида, погруженного в шлаковую ванну, и зеркалом жидкой металлической ванны) возрастает, что приводит к уменьшению величины рабочего тока I_p. Таким образом, можно добиться заданной конфигурации проплавления внутренней контактной поверхности бандажа и тем самым снизить тангенциальные напряжения на контактной поверхности ось - бандаж.

Встречное расположение витков двух разнонаправленных частей электрода-соленоида обеспечивает релаксацию тангенциальных составляющих радиального напряжения Р_к, возникающих при передаче момента прокатки с оси на бандаж в контактной поверхности ось - бандаж, особенно при реверсивной работе биметаллических валков прокатного стана.

Если направление вращения оси валка совпадает с направлением закрутки части витков электрода-соленоида, при плавлении которого в теле бандажа проплавляется канавка, соответствующая направлению и по ширине пропорциональная диаметру электрода-соленоида, то образуется эффект закручивающегося винта. При передаче момента прокатки с оси валка на бандаж образуется главный вектор напряжения (направленный под углом к оси валка), который раскладывается на две составляющие - радиальные напряжения Р_к и тангенциальные напряжения σ_τ (направленные вдоль контактной поверхности ось - бандаж). Тангенциальные напряжения находят по формуле
σ_τ = P_к•tg(ψ+ϕ), (3)
где ψ - угол подъема резьбы (угол наклона витка электрода-соленоида);
ϕ - угол трения на контактной поверхности ось-бандаж, определяемый по формуле

где μ - коэффициент трения сталь-сталь при температурах прокатки, μ ≈ 0,14;
β - угол заострения профиля проплавления канавки в бандаже, β ≈ 120^° (Вузенков П.Г. Детали машин. Учебник. - М.: Высшая школа, 1982, с.78-79).

Если часть витков электрода-соленоида закручена в противоположную сторону и не совпадает с направлением вращения оси валка, то угол ψ₂ - угол подъема резьбы (угол наклона витка электрода-соленоида) находится в IY четверти, т. е. в пределах 270-360^o, что показано на фиг.2, следовательно, tg(ψ₂+ϕ) в этой четверти будет отрицательный. Таким образом, тангенциальные напряжения, образованные этой частью витков электрода-соленоида, будут направлены навстречу тангенциальным напряжениям, образованным частью витков с совпадающим направлением закрутки вращению оси валка. В результате встречного направления происходит релаксация тангенциальных напряжений на контактной поверхности ось - бандаж, что снижает внутренние напряжения и может продлить срок службы бандажированных валков.

Порошковая проволока электрода-соленоида с заданной шихтой при расплавлении образует металл с регулируемыми свойствами переходной зоны контактной поверхности ось - бандаж, который по теплофизическим и физико-механическим свойствам соответствует высоколегированному материалу бандажа и заливаемому металлу оси валка. Расплавленный металл порошковой проволоки электрода-соленоида за счет конвективного потока и электромагнитных сил (Веревкин В. И., Быстров В.А. и др. Анализ тепловых и гидродинамических явлений в шлаковой ванне при электрошлаковой наплавке с помощью математической модели// Известия вузов. Черная Металлургия, 1992. 2) будет прижиматься к стенкам внутренней поверхности бандажа, сохраняя высокую концентрацию заданного химического состава, а следовательно, и теплофизические свойства. Таким образом, можно воздействовать на радиальные термические напряжения Р_вн, возникающие на поверхности контакта ось - бандаж.

Устройство позволяет надежно осуществлять электрошлаковое литье биметаллических отливок бандажированных валков при скорости заливки жидкого металла 4-5 мм/с, гарантируя высокое качество сплавления, заданную конфигурацию проплавления контактной поверхности ось - бандаж, заданный химический состав металла переходной зоны контактной поверхности ось - бандаж за счет конструкции и заданного состава шихты порошковой проволоки электрода-соленоида, а следовательно, получить высокое качество изготовления биметаллических прокатных валков и высокую производительность процесса.

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что введение и конкретизация новых признаков в указанной связи с другими элементами заявляемого устройства приводят к появлению новых вышеуказанных качеств, позволяющих изготавливать биметаллические прокатные валки, повысить качество контактной поверхности переходной зоны ось - бандаж (за счет регулирования химического состава шихты порошковой проволоки электрода-соленоида), релаксировать, а следовательно, снизить до минимальной величины тангенциальные напряжения, возникающие на контактной поверхности ось - бандаж, за счет конструкции электрода-соленоида, предусматривающей встречное расположение двух частей разнонаправленных витков, а также повысить эксплуатационную надежность и увеличить износостойкость полученных биметаллических прокатных валков в 3-4 раза, а следовательно, повысить срок службы всего прокатного стана.

Формула изобретения

Устройство для изготовления биметаллических прокатных валков, содержащее литейную форму с установленным в ней бандажом валка и присоединенные к источнику питания электрод-затравку и электрод-соленоид, расположенный внутри бандажа на расстоянии 5-100 мм от его поверхности и имеющий стержневые электроды, прикрепленные к его нижнему витку, отличающееся тем, что электрод-соленоид выполнен из двух состыкованных частей разнонаправленных витков и изготовлен из порошковой проволоки с шихтой заданного химического состава.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ" (Быстров В.А., Веревкин В.И., Селянин И.Ф., Морозов В.А., Анохина Н.К., Зайнутдинов Х.Ф.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога