Теоретические основы и расчет калибровки валков сортовых прокатных станов

УДК 621.771 
Б48 

Р е ц е н з е н т 

проф., д-р техн. наук А.Е. Шелест 

(Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН) 

Берковский B.C. 

Б48 
Теоретические основы и расчет калибровки валков сорто
вых прокатных станов: Учеб.-метод. пособие. - М.: МИСиС, 
2003. - 110 с. 

В настоящем пособии изложены основы теории прокатки в калибрах, а 
также основные положения и методы расчета калибровки прокатки валков. 
Методы расчета калибровки основаны на использовании теоретических зависимостей для расчета деформационных и энергосиловых параметров прокатки. Рассмотрен расчет вытяжных систем калибров и отделочных калибров 
для прокатки круглой, квадратной и полосовой стали. Приведены примеры 
расчетов. 

Пособие рекомендуется использовать при выполнении курсовых и дипломных проектов для разработки технологии производства сортовой стали. 

Пособие предназначено для студентов специальности 110600 «Обработка металлов давлением» различных специализаций, изучающих курсы «Теория процессов прокатки и волочения», раздел «Прокатка в калибрах», «Технология прокатки и отделки сортовой стали. Калибровка прокатных валков», 
«Технология производства полупродукта и сортового проката» и «Технология производства сортового и горячекатаного листового проката». 

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

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
5 

1. Понятие калибровки валков и ее назначение 
6 

2. Элементы калибровки валков 
8 

2.1. Зазор и пружина клети 
8 

2.2. Разъем калибра 
8 

2.3. Бурт 
9 

2.4. Диаметры валков 
9 

2.5. Заполнение калибра 
10 

2.6. Расположение калибров на валках 
12 

2.7. Верхнее и нижнее давление 
13 

2.8. Выпуск калибра 
15 

3. Виды и конструкции калибров 
17 

3.1. Ящичные калибры 
17 

3.2. Квадратные калибры 
18 

3.3. Ромбические калибры 
18 

3.4. Овальные калибры 
19 

3.5. Шестиугольные калибры 
22 

3.6. Ребровой овальный калибр 
22 

3.7. Круглые черновые калибры 
24 

4. Теоретические основы калибровки валков 
25 

4.1. Аналитическая характеристика формы калибра 
25 

4.2. Уравнение постоянства объема при прокатке в калибрах 
28 

4.3. Форма очага деформации 
30 

4.4. Угол захвата 
31 

4.5. Расчет уширения и вытяжки 
32 

4.6. Расчет уширения различных марок стали 
34 

4.7. Энергосиловые параметры прокатки 
36 

4.8. Устойчивость полосы в калибре 
39 

5. Понятие о паре калибров. Вытяжные системы калибров 
40 

5.1. Пары калибров 
40 

5.2. Вытяжные системы калибров 
41 

6. Общие принципы расчета калибровки валков 
48 

7. Метод и алгоритм расчета вытяжных систем калибров 
53 

7.1. Расчет промежуточных калибров 
53 

7.2. Особенности расчета отдельных вытяжных систем 
калибров 
57 

3 

8. Примеры расчетов вытяжных систем калибров 
62 

8.1. Система ящичных калибров 
62 

8.2. Система ромб – квадрат 
65 

8.3. Система овал– квадрат 
75 

9. Калибровка валков для прокатки круглой стали 
78 

9.1. Характеристика профиля и требования стандарта 
78 

9.2. Способы прокатки 
78 

9.3. Расчет чистовой круглой полосы и конструирование 
калибра 
80 

9.4. Определение размеров предчистовой полосы и калибра 
82 

9.5. Определение размеров предчистовой равноосной полосы 
и конструирование калибра 
83 

9.6. Пример расчета отделочных калибров для прокатки 
круглого профиля 
85 

10. Калибровка валков для прокатки квадратной стали 
89 

10.1. Сортамент и характеристика профиля 
89 

10.2. Способы прокатки квадратных профилей 
89 

10.3. Расчет размеров чистовой квадратной полосы 
и конструирование калибра 
91 

10.4. Определение размеров предчистовой ромбической полосы 
и предчистового ромбического калибра 
92 

10.5. Определение размеров предчистовой квадратной полосы 
и конструирование предчистового квадратного калибра 
94 

11. Калибровка валков для прокатки полосовой стали 
99 

11.1. Сортамент 
99 

11.2. Способы прокатки 
100 

11.3. Пример расчета схемы прокатки полосовой стали 
с острыми углами 
106 

Библиографический список 
109 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Современный подход к расчету калибровки валков сортового 
стана основан на использовании персональных компьютеров и программных методов расчета. Разработанная на кафедре ПДСС расчетная компьютерная система САПР «KB», основанная на совместном 
решении сложных степенных уравнений, значительно повышает 
точность расчетов и резко сокращает затраты времени. Однако с усложнением расчетных методов, как правило, теряется их наглядность 
и возникают трудности с обучением. При обучении калибровке валков, для понимания методики и выработки устойчивых навыков, весь 
комплекс расчетов необходимо выполнять вручную. Естественно, 
что методика ручного расчета должна быть максимально упрощена, 
но при этом оставаться пригодной для практического использования 
не только в учебном процессе, но и при разработке калибровок промышленных прокатных станов. 

В настоящем пособии изложены основные положения калибровки валков и аналитический метод определения размеров полосы и 
конструирования калибров, а также расчет деформационных и энергосиловых параметров. Предлагаемый материал базируется на теории калибровки валков, основы которой кратко изложены в главе 4 и 
которые, в свою очередь, явились результатом многочисленных экспериментальных исследований процесса прокатки, выполненных автором и его сотрудниками на действующих прокатных станах страны. Методы расчета используются в течение многих лет на кафедре 
ПДСС в учебной работе, а также в практической работе при разработке калибровок валков промышленных прокатных станов. 

Автор выражает глубокую благодарность Юрию Борисовичу 
Власову, выполнившему большую работу по подготовке электронной 
версии пособия и статистической обработке некоторых материалов, а 
также Максиму Андреечеву, подготовившему примеры расчета. 

Автор сердечно благодарит Екатерину Рафаиловну Коржавину, которая взяла на себя труд по технической подготовке пособия к 
изданию, а также всех аспирантов и сотрудников кафедры ПДСС, 
работавших вместе с ним в течение многих лет. 

5 

1. ПОНЯТИЕ КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ 
И ЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ 

Сортовые профили прокатывают из заготовки за несколько 
проходов между валками. Число проходов зависит от соотношения 
размеров и формы заготовки и конечного сечения. В большинстве 
случаев заготовка для прокатки сортовых профилей имеет квадратное или прямоугольное сечение. 

В валках для придания прокатываемому металлу необходимой 
формы выточены специальные вырезы, называемые ручьями. Ручьи, 
выточенные в верхнем и нижнем валках двухвалковой клети и расположенные на одной вертикальной оси, образуют калибр, форму которого и принимает прокатываемая полоса в каждом проходе (рис. 1.1). 

f 
r 

, 

Рис. 1.1. Ящичный калибр, сечение прокатываемой полосы 
(заштриховано): f- прогиб дна калибра; S - зазор; Г- радиус 

закруглений; Лp - высота ручья; Лк - высота калибра; Ьд - ширина дна 

калибра; Ьк - ширина калибра 

Аналогично образуются трех- и четырехвалковые калибры. 
Многовалковые калибры используют в клетях специальных конструкций (рис. 1.2). 

Систему последовательно расположенных калибров, обеспечивающую в процессе прокатки получение требуемого профиля из 
заданной заготовки, называют калибровкой валков. 

6 

г 

Рис. 1.2. Четырехвалковый универсальный балочный калибр: 

левый вертикальный (а), правый вертикальный (б), 
верхний горизонтальный (в), нижний горизонтальный (г) валок 

Разработка калибровки валков связана с оптимальным решением комплекса задач: 

- получение заданного профиля за минимальное число проходов; 

- обеспечение требуемого качества поверхности; 
- обеспечение механизации процесса прокатки; 
- обеспечение оптимальной загрузки оборудования прокатного стана. 

Решение этих задач невозможно без учета особенностей прокатного стана, для которого разрабатывается калибровка валков, т.е. 
конструкции и расположения основного оборудования, профильного 
и марочного сортамента, производительности стана и т.д. Поэтому в 
большинстве случаев калибровка валков каждого прокатного стана 
индивидуальна. 

6 
а 

7 

2. ЭЛЕМЕНТЫ КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ 

2.1. Зазор и пружина клети 

Расстояние между валками называют зазором. Различают 
проектный, или расчетный, и рабочий, т.е. фактический в момент 
прокатки, зазор. Поскольку при прокатке все детали рабочей клети 
упруго деформируются, то в момент захвата полосы валками зазор 
увеличивается на величину суммарной упругой деформации клети, 
называемую пружиной клети. Пружина складывается из изгиба валков, сжатия подушек, вкладышей, нажимных винтов и гаек, изгиба и 
растяжения станины. В зависимости от конструкции клети пружина 
может колебаться от десятых долей миллиметра на проволочных 
станах до 20 мм на блюмингах. 

Чтобы после выхода полосы из калибра валки не соприкасались, проектный зазор s должен быть больше пружины клети. Практически величина зазора приблизительно отвечает соотношению 

s - 0,01 D , 
(2.1) 

где D-диаметр валков. 

2.2. Разъем калибра 

Место, где контур калибра пересекает линию зазора, называют разъемом калибра {ЩС.2.1). 

Рис. 2.1. Разъем калибра: 
а-верхний; б-нижний 

8 

Если разъем находится на боковой грани калибра, то такой 
калибр называют открытым (рис. 2.2, а). Калибр, у которого разъем 
находится на нижней или верхней грани, а зазор вне контура, назышют закрытым {щс. 22, б). 

а 
б 

Рис. 2.2. Открытый {а) и закрытый (б) калибры 

Углы калибра закругляют некоторым радиусом г во избежание концентрации напряжений и быстрого остывания острых углов. 
Углы не закругляют только в последних отделочных калибрах при 
прокатке профилей, у которых наличия острых углов требует стандарт (например, при прокатке квадратной стали по ГОСТ 2591-88). 

2.3. Бурт 

Часть бочки валка, расположенную за пределами контура калибра, называют буртом. Закругление буртов калибра в месте разъема предотвращает концентрацию напряжений и образование дефектов на поверхности полосы в случае небольшого переполнения калибра или смещения ручьев (подрез). Радиус закругления буртов выбирают конструктивно. 

2.4. Диаметры валков 

Калибры в процессе эксплуатации изнашиваются и постепенно теряют первоначальную форму и размеры. Для восстановления размеров калибров валки перетачивают, т.е. уменьшают диаметр валков и благодаря наклону боковых стенок восстанавливают 
ширину и глубину ручьев. Таким образом, диаметр бочки валка постепенно уменьшается. Максимальный и минимальный (после последней переточки) диаметры определяются конструкцией шпинде
9 

лей и подушек валков. Неизменным остается расстояние между осями валков шестеренной клети, которое называют номинальным диаметром D0 . Номинальный диаметр чистовых клетей сортового стана определяет его название. 

Диаметр валков по ширине калибра- величина переменная. 
В расчетах процесса прокатки используют катающий диаметр, под 
которым понимают диаметр валка в тех местах калибра, где окружпая скорость валков равна скорости выходящей полосы без учета 
опережения (рис. 2.3, а). 

Катающий диаметр определяют по формуле 

Dкат — D- Fjb , 
(2.2) 

где F — площадь прокатываемой полосы; 
b -ширина полосы; 
F/b-средняя высота полосы. 

Нри прокатке в полосовых и ящичных калибрах для упрощеПИЯ расчетов катающим диаметром считают диаметр по дну калибра 
(рис. 2.3, б). 

а 
б 

Рис. 2.3. Катающий диаметр в круглом (а) и ящичном (б) калибрах 

2.5. Заполнение калибра 

Чтобы предотвратить переполнение калибра (b > b^), возможное из-за колебания уширения в процессе прокатки (изменение температуры, скорости прокатки и других технологических параметров), 

10 

калибр должен быть заполнен не полностью. При переполнении калибра металл затекает в зазор, образуя дефект «ус» (рис. 2.4, а), который при деформации в последующем калибре образует закат- дефект, подобно трещине нарушающий сплошность металла (рис. 2.4, б). 

\ т ; / 
—^--^ > 

а 
б 

Рис. 2.4. Образование заката в калибре: 

а - переполнение квадратного калибра и образование дефекта «ус»; 
б - образование заката при прокатке в овальном калибре полосы с 

дефектом «ус» 

Заполнение калибра характеризуют коэффициентом заполнения 

X = b/b^ . 

в тех случаях, когда конечная ширина неизвестна, заполнение можно прогнозировать, оценивая простор на уширение, под которым понимают пространство в калибре между заготовкой и разъемом калибра (bк – b0)- Простор на уширение можно оценить коэффициентом простора 

ф = bк / b0. 

Высоту поверхности на боковой грани полосы m, свободную 
от контакта с калибром, называют притуплением (cм. рис. 2.4, б). 
При полном заполнении %= 1, притупление m равно зазору s. 

Дефекты, попадающие па поверхность, свободную от контакта, плохо прорабатываются. Поэтому значительное незаполнение калибра приводит к ухудшению качества готовой продукции и, кроме 
того, к ухудшению устойчивости полосы в калибре. В то же время 
слишком большое заполнение чревато образованием уса и в дальнейшем заката. При правильной настройке коэффициент заполнения 
колеблется в достаточно узких пределах (х = 0,92 … 0,98), что ус
11 

ложняет работу персонала стана, но обеспечивает высокое качество 
проката и стабильность процесса. 

2.6. Расположение калибров на валках 

Линию, на которой расположены калибры, называют линией 
прокатки. Линию, относительно которой моменты сил, приложенпых к профилю со стороны верхнего и нижнего валков, равны, называют нейтральной. В простых калибрах нейтральная линия совпадает с осью симметрии. В калибрах сложной конфигурации положение нейтральной линии определяют различными способами, в одном из которых принимают, что нейтральная линия проходит через 
центр тяжести площади, ограниченной контуром калибра. Теоретическое обоснование этого метода базируется на том, что воздействие валков на отдельные элементы профиля пропорционально их 
статическим моментам. Тогда точка приложения равнодействующей 
всех сил, действующих на профиль, совпадает с центром тяжести. 
Для определения центра тяжести калибр любой формы разбивают 
на элементы, вычисление площади и центра тяжести которых не вызывает затруднений, например прямоугольник, треугольник, трапеция и т.д. Выбрав произвольную систему координат, одна из осей 
которой 
параллельна 
линии 
прокатки, 
и 
определив 
x 
и 
y - координаты центров тяжести каждого элемента, находят координаты X и Y центра тяжести всего контура по формулам 

F,x, + F2x2 + F3x3+... +Fnxn 

X _ _!__! 
; 
(2.3) 

F1+ F2+ F3 +... + Fn 

F,y, + F-yV-y + Fa^Va, + ... +Fnyn 

Y _ _!__! 
^ ^ 
^^ 
, 
(2.4) 

F1 + F2 + F3 + ... + Fn 

где F1, F2, F3 … Fn- площади элементов, на которые разбит контур. 

Средней линией (рис. 2.5) называют линию, которая делит 
расстояние между осями верхнего и нижнего валков пополам. 

Калибры располагают в валках таким образом, чтобы нейтральная линия совпадала с линией прокатки. Как правило, линия 
прокатки не совпадает со средней линией, так как диаметры верхнего 
и нижнего валков не равны. 

12 

Рис. 2.5. Расположение калибров на валках: 
1 - средняя линия валков; 2 - линия прокатки (нейтральная линия) 

2.7. Верхнее и нижнее давление 

Направление выхода раската из калибра не должно быть произвольным, случайным. Чтобы полоса выходила из валков в заданном направлении, прокатные валки имеют разный диаметр. На сортовых станах диаметр верхнего валка больше нижнего. Их разницу 
называют верхним давлением 

q = D^- Dji> 0. 

Поскольку скорость вращения валков одинаковая, то линейпая скорость на контактной поверхности верхнего валка больше и 
полоса получает изгиб вниз. На ее пути устанавливают выводную 
проводку (рис. 2.6), у которой один конец скользит по поверхности 
ручья, а другой лежит на проводковом брусе или на специальном 
столе. Регулируя ее положение относительно дна калибра, получают 
прямой, без кривизны, раскат. 

На обжимных станах, где раскат имеет большую массу, из-за 
опасности повреждения рольгангов, предусматривают нижнее давление,т.с. 

q = D^ – D^< 0. 

13