Введение к работе
Актуальность работы. Одна из фундаментальных проблем науки и техники третьего тысячелетия - ресурсосбережение. В нее входит и проблема экономии металла. Особенно актуальными эти задачи становятся в условиях мирового экономического кризиса. С целью экономии сырья и топлива для производства металлов необходимо разрабатывать рациональные конструкции. В первую очередь это относится к металлоемким изделиям, таким, как, например, прокатные валки. Валки больших размеров дороги и трудоемки в изготовлении. Однако при износе поверхностного рабочего слоя бочки, толщина которого составляет всего 5-7% от первоначального диаметра, а масса 13-14% от массы валка, валки отправляются в скрап. Аналогичная картина наблюдается и с роликами машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Основными причинами их списания являются: интенсивный износ поверхности, появление сетки разгара и развитие в этой зоне трещин, что непосредственно влияет на нормальное протекание процесса непрерывного литья и, главное, качество заготовок.
Следует отметить, что износ поверхности прокатных валков влияет на технологические процессы последующей прокатки слябов. Известно, что качество полосы закладывается в черновой группе клетей, и исправлять полученные дефекты в чистовых клетях затруднительно, а иногда, и невозможно. Таким образом, качество заготовок непосредственно влияет на качество готовой продукции.
Еще в начале прошлого века был предложен метод повторного использования списанных валков путем бандажирования. Бандажирован-ные ролики применялись на первых МНЛЗ ОАО «ММК» и используются на ряде заводов и в настоящее время.
Повышение прочности и износостойкости составных прокатных валков и роликов МНЛЗ - это актуальная задача, решение которой позволяет повысить качество продукции и производительность агрегатов.
Основные достоинства составных конструкций следующие:
возможность изготавливать бандаж из износостойких материалов, а ось из сталей, способных выдерживать длительные циклические нагрузки;
возможность замены изношенного бандажа при многократном использовании оси.
Использование составных прокатных валков и роликов МНЛЗ позволяет получить большой экономический эффект.
Несмотря на несомненные успехи в решении многих теоретических и практических задач, ряд проблем, связанных с расчетами, конструированием, повышением прочности и износостойкости составных валков и роликов еще далек от завершения.
Цель диссертации. Повышение прочности и износостойкости составных прокатных валков и роликов МНЛЗ путем совершенствования теоретических основ расчета и конструкций, позволяющих повысить производительность агрегатов, качество заготовок и продукции.
Для выполнения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) составных опорных валков и роликов с помощью теории функций комплексного переменного (ТФКП) и СКМ (система компьютерной математики) MATLAB (матричная лаборатория);
разработать методику определения напряжений в бандажах рабочих валков и роликов методом граничных элементов;
разработать методику расчета НДС составного ролика, собранного по посадке с зазором, с последующей наплавкой рабочей поверхности износостойким материалом;
разработать новые конструкции составных валков и роликов и провести исследования их моделей;
выбрать материал покрытия и разработать технологию его нанесения методом фрикционного плакирования (ФП) на сопрягаемые поверхности соединений с натягом с целью повышения их несущей способности;
выбрать износостойкий материал для литых бандажей составных валков черновых клетей листовых станов горячей прокатки;
провести промышленные испытания разработанных конструкций составных валков и роликов и внедрить результаты исследований.
Научная новизна. Разработана методика расчета НДС составных опорных валков и роликов с помощью ТФКП и СКМ MATLAB.
Разработана методика определения напряжений в бандажах составных рабочих валков и роликов методом граничных элементов, позволяющая учитывать действие всех нагрузок на-бандаж.
Предложена методика расчета НДС составного ролика, собранного по посадке с зазором, с последующей наплавкой бандажа, способствующая разработке новой конструкции ролика, упрощению технологии его изготовления и сборки.
Впервые установлено, что при нанесении на посадочную поверхность ролика алюминиевого покрытия методом ФП толщиной 10-15 мкм, усилие распрессовки увеличивается в 2-2,3 раза, что существенно увеличивает несущую способность соединения с натягом.
Практическая значимость и реализация работы. Разработанная конструкция составного рабочего валка позволяет в 2,3-2,6 раза повысить износостойкость валков и почти в два раза снизить их стоимость. Конструкция ролика МНЛЗ с посадкой бандажа с зазором и последующей на-
плавкой износостойкого материала значительно упрощает изготовление роликов, повышает их износостойкость. Валки и ролики успешно прошли промышленные испытания и внедрены на ОАО «ММК». Результаты исследований, технология ФП и разработанные конструкции используются на ОАО «ММК», ООО «ЮжУралТехнотрейд» г. Магнитогорск, 000 «Южуралмашзавод» г. Орск и могут найти применение на металлургических и машиностроительных предприятиях и в других областях техники.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации доложены и обсуждены: на научно-технических конференциях: Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск, 2006-2009 г.), Proceedings of 12-th European Conference on Composite Materials, (Biarritz, France, Aug-Sept. 2006), симпозиуме: 12й' International Symposium on Metastable and Nano Materials (ISMANAM), (Paris, France, July, 2005), конгрессе: The draft paper accepted by the World Tribology Congress III, (Washington, DC, USA, Sept. 2005), расширенном заседании кафедры «Прикладная механика и графика» МГТУ (г. Магнитогорск, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе монография, 8 статей (две статьи в изданиях, рецензируемых ВАК), получено 3 патента Российской Федерации на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 157 наименований и приложения. Работа содержит 121 страницу, иллюстрируется 70 рисунками и 5 таблицами.
