Изучение температурного поля в рабочих валках холодной прокатки при скоростном нагреве в камерной печи

Abstract

The present article demonstrates the results of the experimental and calculated researches of the rapid (gradient) heating of the working layer of the cold work roll barrel in the unit, consisting of the chamber furnace of the special design and a spraying unit, located under the furnace in the special pit and able to move up for rapid cooling of the working roll layer. In the process of the roll heating its barrel and some parts of the necks are located within the working chamber area while the other (external) parts of the necks are situated outside the heating chamber and rest upon the drive rollers, which are designed to ensure rotation of the roll barrel in the course of its heating and subsequent cooling. At that, it is necessary to ensure hardening only of the working roll layer that is why the neck parts located inside the furnace are equipped with special heat-insulated inserts to prevent their hardening. The experimental rolls have been equipped with the thermocouples to measure temperature both in different points of their surface and in the depth of their barrel and necks with the aim of developing the various roll heat treatment conditions. A process of heat treatment included rigid requirements concerning smoothness of the roll barrel surface heating at very close limits for under-heating zones in the extreme sections near surface end faces. Besides, it was necessary to ensure low temperature of the necks located within the working furnace area. The experimental researches of the temperature fields under different conditions of the rapid roll heating allowed us to reach a high speed of the roll heating and cooling and, respectively, the required structure of the working roll barrel layer. At the same time, in the process of the experimental researches and calculations of the temperature fields according to the specially developed program, we revealed intensive heat leak via external open neck parts under the existing conditions of heating gas input and output and roll location with the necks being, partially, beyond the heating chamber. The above-mentioned researches allowed us to reveal also a sufficient (as compared with the admissible one) non-uniformity of the temperature field of the barrel surface in the end zones of the roll being heated. We also determined in the course of the experimental researches that change of the external heat exchange conditions between the working furnace area and roll surface does not eliminate non-uniformity of the temperature field in the end surface sections. A method of sufficient non-uniformity decrease of heating of the end roll barrel sections has been offered and executed calculations and analysis of the temperature fields have confirmed the reality of its application.

В статье представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований скоростного (градиентного) нагрева рабочего слоя бочки валка холодной прокатки в агрегате, состоящем из камерной печи особой конструкции и спрейерной установки, размещенной под печью в специальном приямке и выдвигающейся вверх для обеспечения быстрого охлаждения рабочего слоя валка. При нагреве валка его бочка и часть шеек находятся в рабочем пространстве печи, а остальные (внешние) части шеек размещены за пределами камеры нагрева и опираются на приводные ролики, обеспечивающие вращение бочки валка в процессе нагрева и последующего его охлаждения. При этом необходимо обеспечить закалку только рабочего слоя валка, а части шеек, находящиеся в печи, не должны подвергаться этой процедуре, для чего они покрыты специальными теплоизоляционными вставками. В целях разработки режимов термообработки прокатных валков различных размеров, экспериментальные валки были оснащены термопарами, измеряющими температуру в различных точках поверхности и в глубине бочки и шеек валка. Технологией термообработки были поставлены жесткие условия по равномерности нагрева поверхности бочки валка с очень узкими пределами зон недогрева крайних участков у торцов поверхности. При этом требовалось также обеспечить низкую температуру шеек, находящихся в рабочем пространстве печи. Экспериментальные исследования температурных полей при различных режимах скоростного нагрева валков показали, что достигнуты высокие скорости нагрева и охлаждения, обеспечивающие требуемую структуру рабочего слоя бочки валка. Одновременно, экспериментальные исследования и расчеты температурных полей по специально разработанной программе показали, что в существующей конструктивной обстановке ввода и отвода греющих газов и размещения валка с частичным выводом шеек за пределы камеры нагрева, происходит усиленный сток тепла через внешние открытые части шеек. При этом выявлена значительная (отличающаяся от допустимой) неравномерность температурного поля поверхности бочки в торцевых зонах нагреваемого валка. Установлено, что изменения условий внешнего теплообмена между рабочим пространством печи и поверхностью валка не обеспечивают устранения неравномерности температурного поля торцевых участков поверхности. Предложен способ существенного снижения неравномерности нагрева крайних участков поверхности бочки валка, и проведен расчетный анализ температурных полей, подтверждающий реальность его применения.