Реферат: Конструкция и усовершенствование технического обслуживания тянущих валков

Тема: Конструкция и усовершенствованиетехнического обслуживания тянущих валков.

(Design and maintenanceimprovements of withdrawal rolls at Inland’s No. 1 slab caster)

План

Введение

– Типы валков……………………………………………………… 4

1.1 Исследование разных типоввалков...............................................6

– Поверхностное напряжение иусталость валков...........................10

2.1 Температураподпятника.................................................................12

– Конструкция валка…………………................................................15

3.1 Строениеподпятника.......................................................................17

– Переход на валок с осевым отвертием из высоколегированногосплава..................................................................................................20

– Summary.............................................................................................24

– Cловарь..............................................................................................26

Введение

Непрерывные преобразования всталелитейной промышленности послужили причиной того, что сталевары обратиливнимание на технологию, которая до недавнего времени учитывалась приизготовлении слитков.

Отливка стальных плит началась вдекабре 1972 года. По предварительному плану было намечено произвести 1.2миллиона тонн плит за год. В настоящее время, приблизительно, в 2 раза большийвес затрачивается по плану на дальнейшее увеличение количества продукции.

Данный реферат исследует результатыдвух главных проблем, которые свойственны системе тянущих валок: валок ипричины поломки валкового опорного моста.

1. Типы верхних тянущих валков.

Поскольку в США техническое оборудование имеетспособность к усовершенствованию, приходиться уделять серьезное вниманиеверхним тянущим валкам. Данные валки подпирают плиту с тем, чтобы сохранитьпараллельность поперечного сечения в течение периода затвердевания. Онифункционируют даже при чрезвычайно высокой температуре окружающей среды, прибрызгах воды, вызывающей коррозию, и при высокой механической загруженности.Таким образом, идеальность плиты для верхних опорных валков зависит от прочнойсердцевины и поверхности, которая будет устойчива к износу, усталости икоррозии.

Разработка плиты для верхних опорныхвалков – это своеобразный компромисс между увеличением диаметра опорного валка с целью повышения его жесткости и снижением высоты с целью уменьшениявыпуклости. Данная дилемма становится сложнее для решения, так как в настоящеевремя существует тенденция повышения продуктивности посредством увеличениявыпуска продукции.

Увеличение производства продукцииведет к утончению оболочки верхнего опорного валка, и вследствие – к большейпредрасположенности к изгибу. Это условия, наряду с небольшим охлаждениемнекоторых сортов стали, существенно повышает температуру работы валка, что, всвою очередь, повышает риск выхода валка из строя.

/>
/>

На рис. 1 показано три типа тянущихвалков, использованных при изготовлении плит для роликов. Первый тип тянущих валков называют четырёхсоставными верхними опорными валками. Каждый верхний валок состоит из четырёх компонентов. Верхний валок данного типа охлаждаетсяизнутри и состоит из двух концов без буртика, внутреннего и внешнего бандажавалка, которые находятся в плотном контакте.

Второй тип тянущих валков называетсясплошные верхние опорные валки. Каждый нижних валок является сплошным,охлаждается снаружи водяным коллектором, который направляет поток воды наповерхность валка.

Третий тип тянущих валков, который заменяет как четырёхсоставные верхние опорные валка, так и сплошные верхниеопорные валки, называется верхними опорными валками с осевым отверстием.

В 1983 году работники сванзанскойинженерной ассоциации протестировали 3 типа тянущих валков диаметром 17,5 мм.Было исследовано работу сплошных верхних опорных валков, четырёхсоставныхверхних опорных валков и верхних опорных валков с осевым отверстием присовершении 350 оборотов в минуту. Для подсчёта распределения температурыкаждого типа тянущих валков, включая подпятник и корпус была использованаассиметричная модель на основе метода конечных элементов. Цель анализа имеладва направления:

— определить температуру радиальногопрофиля при вращении вала.

/> <td/> />
/> — определить температуру в районевращения верхнего опорного валка.

Модель на основе метода конечныхэлементов в основном состоит из рассчёта половинного валка. Типичные моделипроектирования всех трёх типов тянущих валков показаны на рис. 2. Теплоконтакта с прокатной поверхностью создаёт радиальный перепад температурвблизи поверхности валка. Исходя из радиальных профильных данных, был определёнуровень деформации верхнего опорного валка и его усталость.

Термический анализ – это типичные результаты,полученные при исследовании различных типов валков. На рис. 3 показанырезультаты исследования разных типов валков.

/> <td/> />
На рис. 3А показана зависимостьтемпературы поверхности сплошного основания валка от угла вращения при 11 и77 оборотах. Валок, охлажденный сжатым воздухом и брызгами воды, меняет краевойугол плиты на 5 ˚.

На рис. 3В показана зависимостьтемпературы поверхности четырёхсоставного верхнего опорного валка от углавращения при 28 оборотах. Температура поверхности достигает более 1300˚ F. Воздушное охлаждение снижаеттемпературу поверхности до 1000˚F.

На рис. 3С представлена зависимостьтемпературы поверхности валка с осевым отверстием от угла вращения при 108оборотах. Температура поверхности валка достигает 1300˚F при контакте с плитой, и, послетого, как вращение завершено, уменьшается приблизительно до 1150˚F.

Средний и переменный уровеньнапряжения для всех трёх типов валков был подсчитан на основе эпюрыраспределения температур при определенном числе оборотов. Средний и переменныйуровень напряжения оказался довольно высоким, чтобы вызвать усталостноеразрушение поверхности валка уже после нескольких циклов работы.

Температура подпятника валка,охлаждаемого изнутри, остаётся неизменно на несколько градусов выше температурыохлаждающей воды. После семи циклов, температура зоны вращения сплошных валковдостигает 350˚F и продолжаетрасти.

Когда по термическим результатамподсчитали поверхностную деформацию, было выявлено, что сплошные валки,охлаждаемые снаружи, имеют наибольший уровень деформации, и поэтому, самыйвысокий уровень повреждения за каждый цикл. Этого можно было ожидать, так как монолитный валок хуже охлаждается водой и имеет более тесный контакт с плитой.

Из двух валков, охлаждаемых изнутри, верхние опорные валки с осевым отверстием, в отношении уровня повреждения припроходе одного цикла, являются лучшими чем четырёхсоставные верхние опорныевалки. Поскольку верхние опорные валки с осевым отверстием имеет большуюинерцию, они характеризуются наименьшим напряжением при изгибе.

Меры улучшения верхнего опорноговалка:

— Производить валок из материала,который имеет более высокий предел текучести и выносливости (усталости) чемсталь марки 8620.

– Охлаждать валок изнутри теплой водой.

2. Поверхностноенапряжение и усталость.

Для подсчета предельногоповерхностного напряжения был подсчитан эпюр распределения температур для всехтрёх типов валков, полученный путем анализа конечных элементов за периодобычного вращения. Подсчитанные уровни изменения напряжения можно считатьвыразительными отображениями относительного повреждения для каждого из 3-хосновных типов тянущих валков.

Особенно важен показатель напряжения.Минусовый показатель определяется сжимающим напряжением. Это можно нагляднопредставить, рассматривая валок, где средняя температура 100˚F, а температура поверхности — 1000˚F. При данных условиях, холодное ядровалка предохраняет поверхность от радиального расширения и поэтому, поверхностьработает на сжатие. Обратный эффект наблюдается у валка, средняя температуракоторого выше температуры поверхности. Поверхность работает на растяжение,напряжение имеет положительный характер. Напряжения, действующие на поверхностьвалка, при каждом обороте меняются, и создают полный цикл напряжения.

Сталь марки 8620 имеетпредел текучести Sy,приблизительно 130 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Анализ характеристикиусталостной прочности для марки стали 8620 показывает, что усталостноеразрушение произойдёт за 1 млн. циклов с напряжением при изгибе приблизительно81 тысячу фунтов на квадратный дюйм. Данная информация является исходнымпунктом в создание модифицированной диаграммы Гудмана.

/> <td/> />
/> Типичная диаграммаГудмана была создала для трёх типов валков (рис.4).

Три внешних вершины треугольникасоответствуют пределу текучести Sy для марки стали 8620. Напряжение при изгибе соответствует усталостномуразрушению за 1 млн. циклов, 81 тысяча фунтов на квадратный дюйм была нанесенана ординату и спроектирована на отрицательную линию среднего напряжения.Переменное и средние напряжение затем было нанесено для 3-х основных типоввалков в точках 1 и 2. Точка 1 представляет начало отливки, тогда как точка 2 –конец, когда было достигнуто тепловое равновесие. Верхние опорные валка сосевым отверстием и сплошные 4-х составные верхние опорные валки, сделанные изстали марки 8620, никогда не достигали зоны низкой повреждения. Только сплошныевалки вступают в зону низкого повреждения, достигая теплового равновесия.

Исходя из данныхусловий, можно прийти к следующим заключениям:

— в идеале, уровень напряжения долженоставаться в пределах Гудманской зоны низкого повреждения при отливке.

- только сплошные валки достигаютнизкой зоны повреждения при достижении теплового равновесия.

- поверхностное напряжение четырёхсоставных верхних опорных валков и верхних опорных валков с осевымотверстием, с оборотной водой, которая охлаждает центр крена, остаётся в зонесжатия. Среднее напряжение остается высоким.

Если бы валки изготовляли изсплава, который имеет предел текучести выше стали марки 8620, то диаграммаГудмана имела бы более обширную зону низкого повреждения и могла бы уменьшитьповреждение при каждом цикле, продлив срок службы валка.

2.1 Температура подпятника. Для того, чтобыопределить играет ли температура главную роль в разрушение в результате потерипрочности при смятии, и, соответственно, в разрушении перевалков валков, была организована специальная программа. Данная программа измеряла температуруупорной колодки и гнезда подшипника. Был смоделирован термоэлемент для того,чтобы заменить торцевую крышку болта на типичный валок, диаметром 17,5 мм. Термоэлемент был создан подпружиненным с целью обеспечения контакта междуверхним термоэлементом и концом болтового отверстия.

Температура измерялась приблизительнона расстоянии 13/4 дюйма от наружной поверхности подушки валка и приблизительно нарасстоянии 2-х дюймов от наружной поверхности обоймы подшипника. Дляполучения температурных данных был использован пирометр полного излучения,направленный на наружную поверхность подушек валков. Заключительнаяскомпонованная информация показана на табл.1

Табл. 1 Отношение между расположением тянущих валков и температурой подпятника.

Температура подпятника, ˚F

Среднее значение

/>/> Максимальное

Сечениевалка После 7 плавок После 14 плавок значение

после 14 плавок

Криволинейное

Сечение (44-45)

Верхнийвалок 138 172 220

Нижнийвалок 136 163 220

Прямое сечение

(56-71)

Верхнийвалок 114 158 200

Нижнийвалок 128 180 205

Прямое сечение

(72-84)

Верхнийвалок 126 216 240

Нижнийвалок 147 300 380

/> Заданное вытягивание заготовки в разной степени влияет наширину плиты. Нижние валки, находящиеся в отрезке от 72 до 84 (рис.5),являются самыми горячими. Причина этого - недостаточная система охлажденияводяными брызгами нижних валков. (Валки охлаждались внешним путем,приблизительно 20 галлонов воды в минуту).

Область уплотнения подшипника представляет самый большой интерес. Температурана внешней обойме подшипника превышает 300˚F, тогда как возле уплотненияподшипника была зафиксирована температура в 350-400˚F, которая позднее была проверенаметодом конечных элементов. Уплотнение подшипника имеет более высокую температуру, которая доходит до225˚F.Поэтому, достигнув температуры 350˚F и больше, уплотнение подшипника разрушается и подпятникподвергается водному загрязнению.

3. Конструкциявалка.

Исходя из вышеперечесленныхрезультатов описанных исследований, была одобрена конструкция валка с осевымотверстим как для верхних, так и для нижних валков, которые изготовляются изранее использовавшейся высоколегированной стали марки 8620.

/> <td/> />
Заключение о среднем сроке службы для разных типов валков, включая валок сосевым отверстием из высоколегированного сплава, основывалось на 15-летнемисследовании валков. Данные результаты отображены на рис.6

Данные,отображенные на рис.6, показывают средний тоннаж продукции до того, как валкивыходят из строя. Здесь показана диаграмма общих поломок валков за период 5лет.

Средний срокслужбы валка для типичного 4-составного (пустотелого) валка составляетприблизительно 425,000 тонн. Средний срок службы сплошного валка, сделанногоиз стали марки 8620 составляет 500,000 тонн; срок службы высоколегированноговалка с осевым отверстием превышает 1.2 миллиона тонн.

Дополнительныепричины, которые обусловили переход на высоколегированный валок с осевымотверстием:

— Применение как верхнихвалков, так и нижних ( в отличие от четырёхсоставных валков, которыеиспользуются только с верхними валками).

-Сложность инвентаря длявнутренней и внешней центробежно-литой муфты, концов без буртиков и т.д.,необходимого для создания четырёх-составного валка.

– />Первоначальная стоимостьвысоколегированного валка с осевым отверстием на 30% меньше по сравнению как счетырёхсоставным валком, так и со сплошным валком, сделанным из стали марки8620.

По сравнению свалками с осевым отверстием, 80% поломок валков и всего 50% тоннажа выплавкисоответствуют двум типам четырёхсоставных валков.

В 1988 году,количество поломок валков уменьшилось на 90% по сравнению с 1981 годом.

Было проведеноисследование, целью которого являлось определение уровня увеличения трещин отнагревания в новых высоколегированных валках с осевым отверстием. Дляисследования было отобрано 20 валков. Валки были изъяты из литейных машин.Исходя из результатов исследования, можно создать программу, которая могла быпредопределять глубину трещин в валках и устанавливать возможные методыреконструкции, которые позволили бы снизить цены и время восстановленияоборудования.

3.1 СтроениеПодпятника. Подшипники качения со сферическими роликами обычноиспользуются при вытягивании заготовки. Когда данные подшипники сталииспользоваться при высоких температурах и в среде с системой водянногоохлаждения и накала, возникли проблемы в сравнительно ранние сроки.

На рис.7 показанатипичная схема подшипников качения со сферическими роликами. В положении 52сделан полный анализ тянущего валка (Рис.5).

Действующиесилы:

— Вес плиты (Fп — 6700 фунтов);

— Ферростатическое давление, оказываемое на жидкое ядро (Fф — 134,000 фунтов);

— Вес валка (Fв — 6100 фунтов);

/>-Тяговое усилие, вызываемое крутящим моментом,который создается приводным электродвигателем (Fэ — 21,000 фунтов);

/> <td/> />
— Сила сжатия, присутствующая между подпятником и корпусом (Fс — 2500 фунтов);

Силы, действующие на валок,показаны на рис.8 следующие:

1) горизонтальная:

Fг= Fэ=2100 фунтов= 10.5 тонн

2) вертикальная

Fв= Fп + Fф+Fв=146,800 фунтов= 73.4 тонн

3) сила сжатия

Fc=2500 фунтов= 1.25 тонн

На рис.5 изображен тянущийвалок. Каждый верхний валок содержит два сферических подшипника на каждомконце, каждый нижний валок содержит сферический и вторичный подшипник накаждом конце. Было обнаружено, что 65% всех поломок подшипников происходит накриволинейной секции конвейера. Кроме того, 60% поломок в криволинейной секциипроисходит на нижних валках и 40% поломок наблюдается у подшипников, диаметркоторых 15,5 дюймов. Поскольку валки с диаметром 15,5 дюймов составляют 15%от общего числа тянущих валков, именно они являются причиной поломок 40%подшипников.

В октябре 1981 былаустановлена первая партия протестированных валков, имеющие позиции с 52 до 55.Результаты показали, что срок службы валков увеличился вдвое по сравнению сосферическими подшипниками.

В 1981 году у валков,имеющих позицию с 52 по 54, наблюдались сбои в работе (15 подшипников в месяц).Эта характеристика наблюдалось у 112 вышедших из строя подшипников за одинмиллион плавок. В 1988 году заранее прогнозировали объем вышедших из строявалков с целью заблаговременного устранения или ремонта. За 6 месяцев былонасчитано 2 миллиона вышедших из строя валков.

Другим фактором, повлиявшим напереход на валок, имеющий позиции с 52 по 54, является цена консистентнойсмазки. Такой валок необходимо смазывать раз в месяц, тогда как подшипниккачения со сферическими роликами требуетсясмазывать каждый 10 минут на протяжении 24-х часов. Таким образом, ценаконсистентной смазки снижается на 90%.

Преимущество валков данноготипа – уменьшение цены ремонта шейки валка. Опыт показал, что стоимость ремонташейки валка можно снизить даже после разрушения в результате потери прочностипри смятии на 20%. Переход на конический роликоподшипник дал возможностьуменьшить расходы путем повышение срока службы подшипника, уменьшенияинтервалов подачи консистентной смазки, цены на сборку валка и стоимостьремонта шейки валка.

4.Переход на валок с осевым отверстиемиз высоколегированного сплава.

/> Эффективность работы на протяжении15 лет показана на рис.9. Выход из строя валков достиг вершины в 1981 году вколичество 130 валков в год, и впоследствии уменьшился значительнонизкого уровня в 1986 году. Разрушения в результате потери прочности при смятиипоказаны на рис. 10. Разрушения постепенно достигали уровня 140 валков в годв 1981 году. Вместе с тем, выход валков из строя и разрушения в результатепотери прочности при смятии содействовали около 270 перевалков валков в 1981году. Общие количество выхода из строя валков намечалось уменьшить на 10% в1988, учитывая 90-процентное уменьшение в 1981 году. С 1981 года разрушения врезультате потери прочности удалось уменьшить на 57%.

/> <td/> />
/>/> <td/> />
Производство слябалитейной машины за 15-летним период показано на рис.11. Оно увеличилось на 22%в 1986 году по сравнению с 1981. Данное увеличение приписуется переходу на100-процентое использование верхних валков с

осевым отверстием извысоколегированного сплава.

Тестирование валков. В1974 году была совершена попытка установить компьютеризированный проектслежения с целью контроля за тянущими валками. Целью являлось собрать ипроанализировать информацию для того, чтобы определить рабочие характеристикивалка. Попытка оказалась безуспешной, но все же продолжали собиратьзначительное количество данных.

В июле 1982 году быласовершена другая попытка установить проект слежения за валками, который имелдополнительные цели. Для определение оптимального материала для производствавалков была использована новая система слежения. Проект заработал в январе 1983года. Для того чтобы информация была доступна широкому кругу людей был выбранцентральный язык для сортировки данных.

Система наблюдения за валкамиобеспечила основу для улучшения рабочих характеристик верхних опорных валковпутем создания необходимой информации для принятия оптимальных решений,касающихся технического обслуживания валков и их задач. Данные предоставлялиинформации о текущем состоянии валка, динамику валка в каждой из 160-типозиции и перевалков валков. Данные привели в следующим выгодам:

– Уменьшился парк запасных валков прииспользование надежных валков. Закупка валков была снижена на 75% посредствомприменения валков с осевым отверстием из высоколегированного сплава.

– Уменьшилось время простоя валков.При использование надежных валков, снизился уровень поломок валков.

– Закупки валков основывались нагодовой динамике валков. Были осуществлены улучшения верхних опорных валков.

– Собранная информации иорганизованное время существенно уменьшились.

После одобрения валков с осевымотверстием из высоколегированного сплава и конического роликоподшипника, сталовозможным развитие программы предохранительного технического обслуживания,основанного на следующей информации:

– Минимальный срок службы валка вкриволинейной секции – 6 месяцев.

– Большинство поломок валков происходятв нижних отделах.

– Срок службы валка в прямой секции втри раза больше чем в криволинейной секции.

– Вероятность выхода из строя новоговерхнего валка с осевым отверстием из высоколегированного сплава в верхнейпозиции равняется нулю.С того момента как 100% валков стали производиться извысоколегированного сплава и в 100% литейных машин стали использоватьконические роликоподшипники, польза от этой предохранительной программыразительно.

Summary

We have compared three types ofwithdrawal rolls and found out that the most efficient type is the high-alloygun-drilled roll. The advantages associated with the conversion to thehigh-alloy gun-drilled roll are as follows:

– application in both top and bottomroll positions (compared with the 4-piece roll which could only be used in toproll positions);

– elimination of inventory for innerand outer certifugally cast sleeves, stub ends, etc, required to construct the4-piece roll.

– initial cost of high-alloy gundrilled roll is 30% less compared to either the 4-piece or solid grade 8620rolls.

– maintain roll bearingtemperatures at least 250˚F coller than externally cooled solidbottom rolls.

In comparison with thehigh-alloy gun-drilled roll, the two types of 4-piece rolls represents 80% ofthe roll failures with only 50% of the cast tonnage.

High reliability hasbeen achieved by adopting a high-alloy, gun-drilled internally water-cooledroll design, special type bearings and a computerized roll tracking system thatforms an integral part of a preventive maintenance program.

Adoption of ahigh-alloy, gun-drilled roll design resulted in an increase in service lifefrom approximately 425,000 cast tons for a 4-piece hollow roll used previously,to more than 1.2 million tons together with a 90% reduction in overall rollfailures.

The life of thistype bearings is twice as long as that of spherical bearings. In 1988, abearing failure rate of approximately 36 per million tons cast represents areduction of 66% over 1981 levels. Additional benefits of this type bearinginclude a significant reduction in greasing requirements and lower build-up andjournal repair costs.

The roll trackingprogram has led to a reduction in roll inventory, reduced caster downtime andprovided a basis for making more efficient roll purchasing decisions as well asestablishment of the preventive maintenance program.

Словарь

withdrawal rolls – тянущиивалки

bearing seal – роликоваяопора качения

withdrawal of section –вытягивание заготовки

high-alloy gun-drilled roll– валок с осевым отверстием из высоколегированного сплава

top roll – верхний валок

bottom roll – нижний валок

4-piece roll –четырёхсоставной валок

4-piece caster roll –четырёхсоставной верхний опорный валок

4-piece hollow roll –четырёхсоставной пустотелый валок

elimination of inventory –сложность инвентаря

stub end -конец безбуртика