Основы калибровки валков сортопрокатных станов

УДК 621.771.09 
0-75 

Р е ц е н з е н т 
доктор технических наук, профессор А.Г. Кобелев 

Основы калибровки валков сортопрокатных станов: 

0-75 Учеб. пособие/ В.Б. Шишко, В.А. Трусов, Н.А. Чиченев, 
В.Б. Крахт. - М.: МИСиС, 2003. - 103 с. 

Изложены основные принципы калибровки валков для прокатки сортовых профилей простой формы. Приведены способы построения и основные 
геометрические соотношения вытяжных калибров. Рассмотрены достоинства, 
недостатки и область применения основных вытяжных систем калибров, а 
также примеры практического расчета формоизменения металла и построения 
вытяжных калибров. Изложена методика и приведены примеры практического расчета температурных, скоростных и энергосиловых параметров при прокатке сортовых профилей. Определены основные критерии оценки эффективности калибровок валков для прокатки сортовых профилей. Рассмотрены основные виды привалковой арматуры и основные требования, предъявляемые 
к ней. 

Содержание пособия соответствует программе курса «Технология производства полупродукта и сортового проката». 

Пособие может быть использовано для практических занятий, курсового и дипломного проектирования. 

Предназначено для студентов, обучающихся 
по 
специальностям 
110600 «Обработка металлов давлением» и 170300 «Металлургические машины и оборудование». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
4 

Условные обозначения 
5 

Введение 
7 

1. Основные понятия и определения 
8 

2. Сортамент простых профилей 
10 

3. Классификация калибров по форме, расположению на 

валках и назначению 
11 

4. Элементы калибров 
14 

5. Элементы калибровки валков 
17 

6. Геометрические соотношения в калибрах 
22 

7. Обжатие металла 
30 

8. Уширение металла в калибрах 
32 

9. Порядок расчета калибровки валков 
36 

10. Вытяжные системы калибров и расчет формоизменения 
металла 
40 

11. Расчет энергосиловых параметров прокатки 
78 

12. Машинное время и время передачи раската из одного 

калибра в другой 
85 

13. Температура металла 
86 

14. Критерии оценки калибровки валков 
91 

15. Валки сортопрокатных станов 
93 

16. Привалковая арматура 
96 

17. Шаблоны и контршаблоны для расточки валков 
99 

18. Технико-экономические показатели производства 
100 

Заключение 
101 

Библиографический список 
102 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Возрастающие требования к качеству и разнообразию типоразмеров сортового проката вызывают необходимость подготовки 
специалистов, способных решать задачи по выбору оптимальных технологических режимов пластического формоизменения металла и разработке соответствующей калибровки валков сортопрокатных станов. 

В рамках подготовки инженера-технолога по специальности 
110600 «Обработка металлов давлением» и инженера-механика по 
специальности 170300 «Металлургические машины и оборудование» 
подобные проблемы рассматриваются в дисциплинах, посвященных 
теории и технологии процессов сортовой прокатки. За последние годы появился ряд новых теоретических и прикладных разработок в 
области калибровки валков сортопрокатных станов, которые не отражены в учебно-методической литературе. 

В данном учебном пособии используются фундаментальные 
положения теории обработки металлов давлением и теплотехники 
для решения конкретных задач сортопрокатного производства. Оно 
состоит из трех взаимно связанных частей. В первой части (гл. 1 - 8) 
приведены основные понятия и определения и сортамент простых 
профилей, дана классификация калибров по форме, расположению 
на валках и назначению, рассмотрены элементы калибров и калибровки валков, сформулированы геометрические соотношения в калибрах. Вторая часть (гл. 9-14) посвящена вопросам получения сортового металла обработкой давлением: особенности обжатия и уширения металла в калибрах, порядок расчета калибровки валков, основные вытяжные системы калибров, расчет формоизменения металла, определение энергосиловых параметров процесса прокатки, температура прокатанного металла. В третьей части (гл. 15-18) приведены критерии оценки калибровки валков, рассмотрены валки сортопрокатных станов, привалковая арматура, шаблоны и контршаблоны для расточки валков, даны технико-экономические показатели 
производства. 

Приведены примеры решения конкретных производственных 
задач по разработке калибровок валков, обеспечивающих получение 
высококачественного сортового проката. 

Пособие может быть использовано при проведении практических занятий и выполнении курсовых и дипломных проектов. Оно 
может быть полезно инженерам-технологам для разработки научно 
обоснованных режимов получения качественного сортового проката, 
а также для инженеров-механиков, занимающихся эксплуатацией 
сортовых прокатных станов. 

4 

а 
h,b 

Йд 
г 
Ф 
Л 
А 
т 
¥ 

VK 

V 

S 


УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

Геометрия раската и калибра 

характерный размер заданного профиля, мм; 
высота и ширина раската и калибра, мм; 
ширина дна калибра, мм; 
радиусы закруглений углов раската и в калибре, мм; 
углы для построения калибра, град, рад; 
соотношение осевых размеров раската; 
площадь калибра и поперечного сечения раскага, мм^; 
высота боковой внешней зоны (притупление раската), мм; 
коэффициент простора для уширения в калибре; 
коэффициент формы калибра; 
коэффициент формы поперечного сечения раската; 
зазор между валками, мм. 

Очаг деформации и параметры формоизменения 

Лит - 
катающий радиус, мм; 
Ah 
- 
обжатие металла, мм; 
Е 
- 
относительное обжатие; 
Дй 
- 
уширение металла, мм; 
коэффициент обжатия; 
коэффициент уширения; 
коэффициент вытяжки; 
коэффициент общей вытяжки; 
коэффициент средней вытяжки; 
коэффициент общей вытяжки в системе калибров; 
коэффициент заполнения калибра; 
длина проекции дуги контакта металла с валками, мм; 
площадь проекции поверхности контакта металла, мм^; 
угол захвата металла, град; 
нейтральный угол калибра, рад. 

Энергосиловые параметры 

коэффициент трения; 
коэффициент, учитывающий материал валков; 
коэффициент, учитывающий материал прокатываемого раската; 
коэффициент, учитывающий влияние скорости прокатки; 
частота вращения валков, об/мин; 
скорость деформации, с'; 
скорость прокатки, м/с; 
температура металла перед входом в валки, °С; 
сопротивление металла деформации, МПа; 
коэффициент напряженного состояния; 
среднее давление металла на валки, МПа; 
усилие прокатки, кН; 
коэффициент плеча приложения равнодействующей; 

1/1] 
р 
tl 

tiE 

tlcp 
X 

^ з а п 

1.УГ 


^конх 

а 
У 

/ 
h 
h 
h 
п 
и 

V 
Т 
о 

Па 

Рср 
F 
¥ 



5 

G 
Ф 
D 
L 
T 
AT 
At 
К 
Re 
Nu 
Ко. 
N 
с 
p 

E 
•Q 


e 
- 
плечо приложения равнодействующей усилия прокатки, мм; 
i 
- 
коэффициент опережения металла; 
М 
- 
момент прокатки, кН-м. 

Температура металла 

масса раската, кг; 
поверхность излучения раската, мм^; 
приведенный диаметр поперечного сечения раската, мм; 
длина пути раската, м; 
температура, °С; 
изменение температуры, °С; 
время охлаждения раската, с; 
коэффициенты теплоотдачи, ккал/(ч-м^ -Х); 
критерий Рейнольдса; 
критерий Нусельта; 
коэффициент теплопроводности воздуха, ккал/(м -ч -Х); 
кинематический коэффициент вязкости воздуха, м^/ч; 
теплоемкость металла, ккал/(кг -Х); 
удельный вес металла, кг/м^; 
коэффициент излучения; 
степень черноты металла; 
С, 
постоянная излучения абсолютно черного тела, ккал/См^-К-ч); 

Ф 
- 
функция угла атаки; 
ю 
- 
скорость потока омывающей среды относительно раската, м/с. 

Линейные размеры на стане 

диаметр, мм; 
длина бочки валка, мм; 
длина шейки валка, мм; 
расстояние от оси прокатных валков до оси кантующих роликов, мм, а также расстояние между осями валков смежных рабочих клетей, м; 
расстояние между осями линий стана, м; 
угол скручивания при кантовке, град. 

Технико-экономические показатели 

масса раската, т; 
доля профилеразмера в общем объеме производства (по массе); 
производительность, т/ч; 
такт прокатки, с; 
коэффициент выхода годного; 
плановое число суток на ремонты; 
фактическое число часов работы в году; 
текущие простои, ч. 

D 
k 
L 
L 

S 
а 

G 
g 
П 
т вг 





Скор 

У^ЕОМ 

"^ТП 
6 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие сортопрокатного производства имеет выраженную 
тенденцию к применению непрерывных процессов, увеличению скоростей прокатки, полной механизации и автоматизации технологических операций. Современные прокатные станы, как правило, работают 
по принципу «клеть - проход» и имеют последовательное или непрерывное расположение клетей. Скорости прокатки на проволочных 
станах достигают 100... 120 м/с при высокой степени деформации. 

Решение указанных проблем неразрывно связано с развитием 
методов расчета и проектирования калибровки прокатных валков, 
направленных на определение формоизменения и температуры металла, энергосиловых параметров, размеров калибров и правил их 
размещения на валках. В частности, некоторые системы вытяжных 
калибров, например такие, как «ромб-ромб», «квадрат - квадрат» и 
им подобные, утратили свое значение и на современных станах практически не применяются. Специализация станов и универсализация 
маршрутных схем прокатки позволили свести до минимума проблему размещения калибров на валках и дали возможность конструкторам прокатных станов применять рабочие клети с валками, имеющими отношение длины бочки к их диаметру менее единицы. В результате существенно повысилась жесткость рабочих клетей в целом, а 
следовательно, точность и стабильность размеров готового проката. 

7 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Основной задачей калибровки валков является получение проката с заданной формой и размерами поперечного сечения при хорошем 
качестве поверхности и с требуемыми физико-механическими свойствами. При этом калибровка валков должна обеспечивать максимальную 
производительность стана, равномерное распределение силовых параметров по проходам, минимальный расход энергии, наименьший износ 
валков, надежный захват металла валками, устойчивое положение раската в валках и возможность прокатки профилей широкого сортамента. 

Калибровка валков сортовых станов основана на использовании инженерных методов расчета формоизменения металла, энергосиловых, температурных и скоростных параметров прокатки, выбора 
формы и определения размеров калибров, обеспечивающих заданные 
технологические параметры и устойчивое положение раската при 
прокатке, а также на принципе расположения необходимого количества калибров на валках прокатного стана. 

Таким образом, понятие калибровки валков включает расчет 
технологических параметров, определение количества, формы и 
размеров калибров, а также их размещение на валках стана. 

Калибром в прокатном производстве называют область, образованную кольцевыми проточками (ручьями), нарезанными на двух 
или более валках, обеспечивающую придание прокатываемому металлу соответствующей формы и получение заданных размеров поперечного сечения. 

Ручьем называется кольцевой вырез или выступ любой формы на бочке валка. Ручьи двух или более валков образуют калибр. 
Ручей характеризуется глубиной Лр, радиусами закругления сопрягаемых поверхностей г, углом наклона боковых стенок ф и шириной 
калибра К. 

Разработка калибровки валков, отвечающей указанным требованиям, является сложной задачей, при решении которой необходимо учитывать закономерности формоизменения металла, силовые 
условия, условия трения, температуру металла, прочность оборудования и мощность приводов, а также ряд других факторов. Таким образом, проектирование рациональной калибровки требует системного подхода, в соответствии с которым ее можно рассматривать как 
информационную систему, имеющую вход, выход, ограничения и 
обратные связи. 

8 

Входом является информация для расчета калибровки валков: 
форма и размеры готового профиля, марка стали, технические характеристики стана и т.д. 

Выходом являются результаты расчета калибровки валков, 
удовлетворяющие определенным критериям, в качестве которых могут быть приняты максимальная производительность, минимальное 
число проходов, минимальный расход энергии и др. 

Для обеспечения соответствия между результатами расчета и 
установленными требованиями служит обратная связь, которая в 
случае невыполнения требований воздействует на вход. 

Ограничения обеспечивают выполнение требований, лимитирующих ход процесса. В частности, это могут быть условия захвата 
металла валками, устойчивость раската в калибре, прочность оборудования, мощность приводов, качество металла и ряд других параметров. Невыполнение какого-либо из ограничений вызывает необходимость воздействия на вход системы и последующий перерасчет 
всего процесса. 

В соответствии с методологией системного анализа расчет 
калибровки валков может быть разделен на ряд подсистем, каждая из 
которых имеет свой вход и выход, обратные связи и ограничения. 
При этом каждая из предыдущих подсистем служит входом для последующих и таким образом осуществляется взаимосвязь всех подсистем в единую систему проектирования калибровки валков. 

9 

2. СОРТАМЕНТ ПРОСТЫХ ПРОФИЛЕЙ 

Сортовая сталь является одним из основных видов проката и 
находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства для изготовления деталей машин, станков, строительных 
конструкций и т.д. 

В зависимости от назначения сортовой прокат делят на профили общего назначения с простой геометрической формой поперечного сечения (круглая, квадратная, полосовая и т.д.) и фасонные 
профили общего (сталь угловая, швеллеры, двутавры и т.д.), отраслевого (рельсы, автомобильный обод и т.д.) и специального назначения. 

Значительная доля в сортовом прокате принадлежит профилям общего назначения простой формы, основные из которых следующие: 

заготовка квадратная (ГОСТ 4693 - 77); 
заготовка осевая (ГОСТ 4728 - 79); 
заготовка трубная (ГОСТ 2590 - 88, ОСТ 14-21 - 77); 
катанка телеграфная (ГОСТ 4231 - 70); 
катанка канатная (ОСТ 14 2-71); 
сталь круглая (ГОСТ 2590 - 88); 
сталь квадратная (ГОСТ 2591 - 88); 
сталь шестигранная (ГОСТ 2879 - 88); 
сталь полосовая (ГОСТ 103 - 76); 
сталь полосовая инструментальная 
(ГОСТ 1435 - 90 и 
ГОСТ 4405 - 75). 

Эти профили используют в промышленности как в качестве 
готовой продукции, так и в виде заготовок для последующей обработки давлением (штамповки, волочения и т.д.) или механической 
обработки (обточки, шлифования и т.д.). 

10 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ КАЛИБРОВ ПО ФОРМЕ, 
РАСПОЛОЖЕНИЮ НА ВАЛКАХ И НАЗНАЧЕНИЮ 

По форме калибры делятся на две большие группы: 
1) калибры простой формы (рис. 1), к которым относятся 
овальные, круглые, квадратные, ящичные, ромбические, шестиугольные, шестигранные и некоторые другие; в основном они используются в качестве черновых (вытяжных) калибров; 

д 
е 

Рис. 1. Калибры простой формы: 

а - ящичный; б - квадратный; в - шестиугольный; 

г - овальный; д - круглый; е - шестигранный 

2) фасонные калибры (рис. 2), к которым относятся балочные, 
угловые, швеллерные, рельсовые, тавровые и другие разновидности 
калибров; они применяются в качестве черновых и чистовых калибров для прокатки фасонных профилей. 

Рис. 2. Тины фасонных калибров: 

а - балочный; б - угловой; в - швеллерный; 

г - рельсовый, д - тавровый 

11 

г 

По расположению на валках (рис. 3) калибры могут быть 
открытые, закрытые, полузакрытые и диагональные. Открытыми 
называют калибры, у которых линия разъема валков находится в 
пределах контура калибра. Если линия разъемов валков находится 
вне пределов калибра, то такие калибры называют закрытыми. Калибры, у которых горизонтальная ось наклонена под некоторым углом к оси прокатки, называют диагональными. 

/ 

а 

Г 

б 

Рис. 3. Способы размещения калибров на валках: 
а - открытый; б - закрытый; в - полузакрытый; 

г-диагональный 

По назначению различают калибры обжимные, черновые, 
предчистовые и чистовые. Обжимные калибры предназначены для 
деформации слитков, блюмов или литых заготовок с целью уменьшения площади их поперечного сечения. Обычно это ящичные калибры. Применяют их на блюмингах и заготовочных станах, а также 
в обжимных клетях сортовых станов. 

Черновые калибры предназначены для постепенного формирования фасонного профиля. Располагаются они после обжимных 
калибров. При прокатке простых профилей черновые калибры играют роль вытяжных калибров, основная задача которых состоит в 
уменьшении площади поперечного сечения (вытяжке) раската. Располагаются они в черновых и промежуточных клетях стана. 

Предчистовые калибры предшествуют чистовым калибрам и 
при прокатке фасонных профилей максимально приближают форму 
поперечного сечения раската к форме заданного профиля. 

Чистовые калибры предназначены для получения профиля 
заданной формы и размеров. 

12 

в