Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• 1. Общая пояснительная записка
• 1.1 Обзор современного состояния производства станов поперечно-винтовой прокатки
• 1.2 Анализ действующего оборудования
• 1.3 Предлагаемое проектное решение
• 1.4 Характеристика мелющих шаров
• 2. Генеральный план
• 2.1 Характеристика промплощадки для строительства
• 2.2 Перечень зданий и сооружений
• 2.3 Благоустройство и озеленение
• 2.4 Показатели генплана
• 3. Технология производства
• 3.1 Технологический процесс производства шаров
• 3.2 Рабочий инструмент шаропрокатных станов и особенности его калибровки
• 3.3 Расчет калибровки валков
• 3.4 Определение крутящих моментов при прокатке шаров
• 3.5 Расчет на прочность вала рабочего валка
• 3.6 Расчет режима нагрева заготовки
• 3.7 Расчет производительности стана и количества шаропрокатных шаров
• 4. Охрана труда
• 4.1 Основные разделы охраны труда
• 4.2 Вредные производственные факторы и борьба с ними
• 4.3 Правила безопасности при прокатном производстве
• 5. Промышленная экология
• 5.1 Анализ состояния окружающей среды АО "ССГПО"
• 5.2 Утилизация и ликвидация отходов
• 6. Специальная часть
• 6.1 Влияние химического состава на качество стали
• 6.2 Дефекты катаных шаров
• 7. Технико-экономическая часть
• Заключение
• Список используемой литературы

1. Общая пояснительная записка

1.1 Обзор современного состояния производства станов поперечно-винтовой прокатки

Процесс прокатки шаров на станах осуществляется из круглой прутковой заготовки с помощью двух валков, имеющих винтовые калибры. При однозаходной калибровке за каждый оборот валков прокатывается один шар. При многозаходной калибровке - число шаров, выходящих из валков за один оборот, равно числу заходов винтового калибра. При выходе из валков шары интенсивно охлаждаются в воде и закаливаются, что обеспечивает высокую износостойкость шаров в мельницах для размола руды, угля и цемента. Для повышения точности и качества валков и упрощения их изготовления разработаны специальные приспособления для нарезания на токарно-винторезном станке винтовых ручьев шаропрокатных валков, имеющих переменный шаг. Прокатка шаров в сравнении со штамповкой позволяет в 2.8 раз повысить производительность оборудования и на 10.15 % снизить расход металла.

На базе шаропрокатных станов созданы технологические комплексы для изготовления высококачественных мелющих шаров, включающие печь для нагрева заготовки, шаропрокатный стан, закалочное и транспортные устройства.

В странах СНГ создана конструкция ряда типоразмеров станов, на которых прокатывают шары диаметром от 25 до 125 мм. На этих же станах можно прокатывать цилиндрические изделия соответствующих размеров.

Станы для прокатки шаров диаметром 40-80 и 60-125 мм изготовляются Электростальским заводом тяжелого машиностроения. Они успешно эксплуатируются с 1959 г. на металлургических заводах "Азовсталь" (г. Жданов), Днепровском металлургическом заводе им. Дзержинского (г. Днепродзержинск) и Нижне-Тагильском металлургическом комбинате им. Ленина. Шары для размольных мельниц изготовляют не только на металлургических заводах, но также и на машиностроительных предприятиях, производящих запасные части для шаровых мельниц цементных заводов и электростанций. На этих заводах не требуются станы такой высокой производительности, как на станах, устанавливаемых на металлургических заводах.

1.2 Анализ действующего оборудования

Разработка отечественными учеными новых технологических процессов (прокатка мелющих шаров и шариков для подшипников коротких тел вращения - штифтов и втулок, изделий с винтовой и резьбовой поверхностью, ребристых труб, коротких изделий с периодическим профилем и др.), создание на их основе специальных станов поперечно-винтовой прокатке для изготовления изделий машиностроительного назначения позволило резко расширить возможности поперечно-винтовой прокатки, увеличить сортамент выпускаемой продукции, используя при этом те же схемы прокатки, т.е. двух - или трехвалковые.

Трехвалковая схема: прокатка изделий с винтовой (резьбовой) поверхностью; прокатка червячных пар; прокатка шаров и подшипников.

Двухвалковая схема: прокатка шаров и шарикоподшипников; прокатка коротких тел вращения; прокатка коротких тел с периодическим профилем; прокатка изделий с винтовой (резьбовой) поверхностью; прокатка червячных пар.

Широко применяемые в черной и цветной металлургии станы поперечно-винтовой прокатки конструктивно изготовлены таким образом, что каждый из двух известных схем прокатки: двухвалковая или трехвалковая.

К достоинствам трехвалковым станам поперечно-винтовой прокатки относится: - меньшее скольжение металла относительно валков; - схема напряженного состояния металла заготовки более благоприятна; - меньшая вероятность вскрытия внутренней полости заготовки; - возможность получения труб периодического профиля.

К недостаткам трехвалковым станом можно отнести:

большее потребление электроэнергии;

более сложная наладка оборудования;

большее количество валков и как следствие больше затрат на приобретение и замену рабочего оборудования;

высокая стоимость оборудования.

К достоинствам двухвалковых станов поперечно-винтовой прокатки можно отнести следующее:

упрощенность конструкции рабочей клети, ее привода и переналадки стана;

большая производительность стана;

меньшие нагрузки на валки.

Возможность изготавливать отдельные виды продукции специального машиностроительного назначения.

Существующим станам по производству шаров характерны следующие недостатки:

1. Исходные заготовки поступают из сортовых и заготовительных станов. Эти заготовки получены как правило из блюмов, прокатанных на блюменгах и имеют высокую стоимость, обусловленную технологическими затратами труда, - энергии и металла на предыдущих переделах. Эти заготовки подаются к шаропрокатному стану в холодном состоянии и для их нагрева как правило, используют пламенные проходные нагревательные печи со значительными энергозатратами.

2. Для термического упрочнения шаров, как правило, используют агрегаты барабанного типа, для которых характерна значительная неравномерность охлаждения при термообработке и, как следствие, приводящая к значительному разбросу механических свойств готового шара. Это приводит к снижению качества шаров, в первую очередь к снижению твердости поверхности, что вызывает ухудшение износостойкости и устойчивости против удара при их эксплуатации в мельницах для помола руды.

1.3 Предлагаемое проектное решение

Применяемая сегодня технология производства в литейном цехе РМЗ позволяет получать ограниченное количество мелющих шаров из износостойкого чугуна не высокого качества. Для обеспечения возрастающих объемов производства товарной продукции АО "ССГПО" требуется увеличение выпуска мелющих шаров. Для получения литых чугунных шаров используется передельный чугун, цена которого за последние годы выросла в десятки раз.

Использование стальных мелющих шаров в сравнении с чугунными дает снижение удельного расхода шаров с 1,23 кг/тонну до 0,765 кг/тонну концентрата, снижение времени измельчения и следовательно увеличение производительности мельниц.

Возникла необходимость освоить выпуск стальных мелющих стержней и шаров с высоким качеством, что позволит снизить себестоимость продукции, которая сегодня в жестких рыночных отношениях имеет решающее значение.

С учетом указанных недостатков существующих шаропрокатных станов в проекте предлагается:

1. В качестве заготовки использовать круглые прокатанные и предварительно прошедшие через правильную машину отрезанные на мерные длины по 800 мм заготовки. Перед подачей заготовки в шаропрокатный стан, производим нагрев ее до температуры 1050 С.

2. Для повышения твердости поверхности и износостойкости шаров предлагается использовать термообрабатывающую машину.

1.4 Характеристика мелющих шаров

Шары стальные, катаные (в дальнейшем шары), применяемые в шаровых мельницах, предназначенных для разлома руды, различного состава, угля, клинкеров и других материалов, изготавливаются согласно техническим требованиям. Шары должны соответствовать требованиям настоящих технических условий и изготавливаться по технологической документации, утвержденной в установленном порядке:

Шары по твердости подразделяются на следующие группы:

нормальной твердости;

повышенной твердости;

высокой твердости;

особо высокой твердости.

Размеры, предельные отклонения по ним, расчетная масса шаров должны соответствовать таблице 1.1.

Для изготовления шаров должны применяться специальные стали, марки и химический состав которых приведены в таблице 1.2: для шаров 1 группы - сталь марки Ш-1, для шаров 2 группы - сталь марки Ш-2, для шаров 3 и 4 групп - сталь марки Ш-3.

прокатка шар металлопрокатный цех

Таблица 1.1 - Предельные отклонения и масса шаров.

Условный диаметр шара, мм	Номинальный диаметр, мм	Предельные отклонения по номинальному диаметру, мм	Расчетная номинальная масса шаров, кг
40	41,5	+-2,0	0,294
50	52,0	+-3,0	0,580
60	62,0	+-3,0	0,980
70	73,0	+-3,0	1,600
80	83,0		2,350
90	94,0	+-4,0	3,410
100	104,0		4,620

Таблица 1.2 - Химический состав шаров

Марка стали	Массовая доля элементов
	углерода	кремния	марганца	серы	фосфора
Ш-1	0,40-0,70	0,15-0,40	0,4-0,8	0,050 не более	0,050 не более
Ш-2	0,50-0,90		0,4-1,0	0,045 не более	0,035 не более
Ш-3	0,69-0,90		0,7-1,0

Примечание. В шарах допускаются отклонения по химическому составу от норм, приведенных в таблице: углерода - +0,03, кремния - +0,05, марганца - +0,1, серы - +0,005; фосфора - +0,050.

Твердость шаров должна соответствовать нормам, указанным в таблице 1.5.

Для шаров 4 группы твердость на глубине И> радиуса шара должна быть HRC; 445 (415), не менее.

Таблица 1.5 - Твердость шаров.

Условный диаметршара, мм	Твердость HRC3 (HB), не менее, для групп
	1	2	3	4
	Д1а поверхности шара
40, 50, 60, 70	43 (401)	49 (461)	55 (534)	55 (534)
80,90, 100	40 (352)	42 (375)	52 (495)

На поверхности шаров допускаются плены, глубина залегания которых должна быть в пределах допуска на номинальный диаметр шара.

Таким образом принимаем шаропрокатный стан для прокатки шаров диаметром 100 мм производства компании "Sinosteel Engineering Co., Ltd" Китайской Народной Республики. Производительностью шаров - 45 шт. /мин.

2. Генеральный план

2.1 Характеристика промплощадки для строительства

Выбор промышленной площадки и проведение обследований на месте входит в задачу по составлению технического проекта.

В соответствии с действующими нормами проектирования территория города расположена в соответствии с установленной санитарно-защитной зоной 300 м с подветренной стороны преобладающего направления ветра по отношению к промышленной зоне, ТЭЦ.

Функциональной зонирование территории проектируемого металлопрокатного цеха осуществляется с учетом технологических связей, санитарно-гигиенических и противопожарных требований, грузооборота соответствующих видов транспорта и очередности строительства.

Расположение объектов производственно-вспомогательного комплекса сконцентрировано в общей зоне при большой плотности застройки, что сокращает протяженность инженерных сетей водоснабжения, канализации и теплоснабжения и транспортных коммуникаций - железнодорожного путевого развития и автодорог [4].

2.2 Перечень зданий и сооружений

Генплан объекта решен в соответствии с необходимым технологическим процессом, а также с учетом норм и правил.

Главным объектом генерального плана является металлопрокатный завод, который располагается в центральной части отведенного участка общей площадью 300000 мІ. Кроме производственного корпуса на генплане размещены КПП, прокатный участок, шихтовый двор, МНЛЗ, РМЦ, АБК, газоочистка, пожарный резервуар, кислородная, компрессорная, вторичные отстойники, бытовые помещения, здравпункт.

Кроме того, предусмотрены элементы благоустройства территории: открытая стоянка для личного транспорта, площадки для отдыха и спорта трудящихся, а также столовая.

На генплане запроектирована сеть автомобильных дорог, которые по требованиям пожарной безопасности закольцованы и имеют достаточную ширину для двустороннего движения, т.е.6 м.

Водоотвод от зданий и сооружений решен открытым способом по спланированной поверхности площадки на пониженные участки рельефа, уклон 0,05%.

Ориентация проектируемого здания на генеральном плане широтная. Ориентация здания относительно сторон света принята с учетом направления господствующих ветров - юго-западных, которые приходятся на угол здания.

Расположение объектов производственно-вспомогательного комплекса сконцентрировано в общей зоне при большой плотности застройки, что сокращает протяженность инженерных сетей водоснабжения, канализации и теплоснабжения и транспортных коммуникаций - железнодорожного путевого развития и автодорог.

Минимальные противопожарные разрывы между производственными зданиями приняты в пределах 10-20 м [5].

2.3 Благоустройство и озеленение

Для пешеходного движения вдоль всех автомобильных дорог, а также между отдельными зданиями и сооружениями устроены асфальтированные и пешеходные дороги, и тротуары шириной 2 м.

Предусмотрено озеленение площадки. Устраиваются цветники, газоны, высаживаются деревья лиственных и хвойных пород рядовым и групповым способами.

2.4 Показатели генплана

Таблица 2.1 - Технико-экономические показатели генплана

Наименование	Значение
Площадь участка, мІ	300000
Площадь застройки, мІ	208420
Площадь дорог и площадок, мІ	10200
Площадь озеленения, мІ	74100
Площадь использованной территории, мІ	225900
Площадь резервной территории, мІ	74100
Протяженность железнодорожных путей, м	7280
Коэффициент использованной территории, %	75,3
Коэффициент озеленения, %	24,7

3. Технология производства

3.1 Технологический процесс производства шаров

В цеху установлено два шаропрокатных стана для прокатки шаров диаметром 60 мм. В состав оборудования линии стана входят устройства для загрузки прутков, непрерывная проходная индукционная печь для нагрева круглых прутков, устройство для транспортировки нагретых прутков от печи к стану, шаропрокатный стан и устройство для охлаждения, а также склад прокатанных шаров.

На стеллаже нагревательной печи при помощи устройства передачи и сталкивания арматуры диаметром 58 мм длиной 800 мм подаются в индукционную печь для нагрева. Когда арматура нагревается примерно до 1100єС, она передается на рольганг расположенного за печью при помощи отводящего устройства. Далее разогретая заготовка переворачивается при помощи двухстороннего кантователя на стеллаж, откуда прокатываемая заготовка подается на стеллаж приема материалов. Затем заготовка при помощи пневматического сталкивателя подается в прокатный стан. После проката шары проходят томление через винтообразный подъемник, после чего проводится термообработка на термообрабатываемой установке. После термообработки шары попадают в контейнер для сбора шаров, откуда транспортируются на склад готовой продукции.

Индукционная печь. Ее основная функция - нагрев заготовки до температуры проката. К нагревательной печи относится: загрузочный стеллаж, устройство передачи заготовок, вталкиватель и устройство для выпуска заготовок. Мощность нагревательной печи 250 кВт.

Заготовка подается на загрузочный стеллаж нагревательной печи при помощи крана, лапа загрузочного стеллажа передает материал на ролик, пневматический сталкиватель выдвигает заготовку в нагревательную печь для ее нагрева, когда заготовка нагревается до 1100єС, то он ее выдвигает из печи, устройства передачи подает заготовку на рольганг прокатного стана шаров для проката.

3.2 Рабочий инструмент шаропрокатных станов и особенности его калибровки

Шаропрокатные двухвалковые станы предназначены для получения заготовок шаров подшипников качения диаметром 25-50 мм из высокоуглеродистых сталей типа ШХ15 и мелющих шаров диаметром 25-125 мм из среднеуглеродистых сталей для мельниц. Различные требования к шарам этих типов предопределяют различия технологических процессов их производства и калибровок валков.

Мелющие шары прокатывают из горячекатаных круглых заготовок обычной точности. Нагрев осуществляют в газовых печах до более высоких температур (950-1050°С), что снижает износ валков. Прокатку ведут со срезом перемычек вдавливанием их остатков в тело шара. Прокатанные шары закаливают с прокатного нагрева, а извлечение их из охлаждающих устройств при температуре 200-300°С приводит к самоотпуску.

При прокатке шаров из заготовок разного уровня точности, а также с сохранением или удалением перемычки в очаге деформации требуется применение валков различных калибровок. Винтовой калибр для прокатки шаров (смотреть рисунок 3.1) состоит из двух участков - формующего и отделочного.

1 - валки, 2 - направляющие линейки, 3 - исходная заготовка, 4 - заготовка подшипника

Рисунок 3.1 - Винтовая периодическая прокатка в двухвалковом стане с винтовым калибром.

На формующем участке осуществляются захват заготовки и ее постепенное обжатие в шар, соединенный перемычкой с остальной частью заготовки. Формовка производится ребордами, имеющими непрерывно нарастающую высоту, в соответствии с которой изменяется диаметр перемычки. Металл, смещаемый из перемычек в шар, приводит радиальной деформации и увеличению диаметра шара по сравнению с диаметром заготовки. В связи с этим диаметр заготовки принимается на 1-2 мм меньше диаметра шара. При несоответствии смещенного объема перемычки (V₁) и возможного приращения объема шара (V ₂) форма шара не выполняется (V₁ < V ₂) или происходит его овализация (V₁ > V ₂). Тангенциальная раскатка овального шара приводит к образованию центрального разрушения, поэтому недопустима. Для предотвращения ее образования ширину реборды и шаг нарезки винтового калибра на формующем участке делают переменными (нарастающими). Корректировка заполнения калибра может производиться также регулированием угла подачи валков а, который на шаропрокатных станах составляет 2-4°. Протяженность калибра (число витков) измеряют в градусах развертки винтовой линии калибра. При обшей протяженности калибра 900-1350° формующий участок занимает 360-540°. На отделочном участке при прокатке шаров подшипников осуществляется только калибровка шара. Этот участок имеет постоянные шаг и профиль нарезки, соответствующий профилю прокатываемого шара, а также постоянный угол подъема нарезки, равный углу подачи валков. За один оборот валков прокатывается один шар.

При прокатке мелющих шаров валок отличается наличием калибрующего участка, выравнивающего диаметры заготовок перед формовкой, и удлиненным отделочным участком (до 810°). Небольшое осевое смещение валков приводит к разрыву перемычки в начале отделочного участка, а затем - к вращению шара относительно оси, перпендикулярной к оси прокатки, срезу перемычек ребордами и к закатке полюсных выступов. Для повышения производительности стана наряду с однозаходными применяют двух- и трехзаходные винтовые калибры, что позволяет получать 2-3 шара за один оборот валков. Средняя производительность станов составляет 1-6 шаров в секунду, до 50-60 млн шт. /год (10-150 тыс. т/год). Основным рабочим инструментом стана для прокатки шаров является прокатный валок, на бочке которого порезан винтовой калибр.

Исходным параметром при конструировании валка является его размер по вершинам реборд. Диаметр валка выбирают из следующих условий.

а) надежный захват заготовки валками;

б) прочность валка и малая упругая отдача при изменении действующих погрузок;

в) отсутствие налипания металла на валках, которое возникает при большом скольжении между вершинами реборды валка и заготовкой.

г) наименьшая стоимость и минимальный износ валков.

Исходя из опыта освоения гаммы станов для прокатки шаров диаметром от 40 до 125 мм, определено оптимальное соотношение между диаметром валков Д и прокатываемых шаров d, которое находится в пределах 5-6.

d, мм 30 - 40 50-60 60-80 20-100 115-125

Д, мм 200 300 450 550 700

Калибровка валков особенно для станов винтовой прокатки - наиболее ответственный и сложный элемент технологического процесса, так как наряду с условиями деформации металла необходимо учитывать сравнительно сложное построение геометрии винтового калибра и технологию нарезки калибра.

Основным вопросом создания новых технологических процессов поперечно винтовой прокатки является разработка и освоение калибровок валков, обеспечивающих получение требуемой формы изделия, явочных размеров без плен и закатов на наружной поверхности и отсутствия разрыхления металла в осевой зоне изделия. Не менее важным является надежное отделение в валах прокатываемых изделий без повреждения поверхности их торцов и при отсутствии больших заусенцев, обеспечение максимальной долговечности валков. Винтовая калибровка имеет свои особенности для каждого вида прокатываемого изделия.

Рассмотрим методику расчёта для прокатки шаров.

Основной рабочий инструмент стана для прокатки шаров - прокатный валок с винтовым калибром. По характеру деформации калибр валка условно можно разделить на две части: формующий участок, на котором осуществляется захват заготовки и её постепенное обжатие в шар, соединенный перемычкой с остальной частью заготовкой и отделочный участок, где производится калибровка шара и отделение его от остальной заготовки. Формовка шаровой заготовки осуществляется ребордами, высота которых постепенно возрастает. Для упрощения расчета калибровки и изготовления валков принято, что высота реборда калибра изменяется по закону прямой линий.

Для обеспечения нормального процесса прокатки профиль и размеры формующего участка калибра рассчитываются таким образом, чтобы в процессе обжатия заготовки соблюдались следующие три основных условия:

1. Объем металла, обжимаемой в калибре, должен оставаться постоянным в течение всего процесса формовки шара;

2. Изменение профиля и размеров реборды калибра должно соответствовать вытяжке обжимаемой заготовки;

3. Обжатие должно осуществляться относительно узкими участками, что бы предотвратить разрушение металла в осевой зоне заготовки.

Согласно первому условию необходимо, чтобы объем некоторой части заготовки, захваченный валками, оставался неизменным по мере прохождения его через остальные участки калибра. В этом случае в любой момент прокатки в калибре не будет избытка металла. Появление избытка металла особенно нежелательно на тех участках калибра, где осевому течению препятствуют высокие реборды калибра. При появлении избытка металла искажается геометрическая форма шара, наблюдается появление пустой в осевой зоне заготовки, так как наличие избытка металла в калибре способствует поперечной раскройке заготовки.

Наличие небольшого избытка металла допустимо лишь в начале калибра, когда реборда еще сравнительно низка и не препятствует вытеснению избытка металла из калибра. Однако для вытеснения избытка металла дополнительно затрачивается работа, что приводит к росту мощности, расходуемой на деформацию металла. Чтобы обеспечить постоянство объема металла в калибре, реборды валка должны иметь по длине калибра строго определенную толщину.

Согласно второму условию нормального образования формы шара вытяжка обжимного участка заготовки должна соответствовать изменению формы и размеров реборды калибра. В случае прокатки шаров длина обжимаемой перемычки (Вб) должна быть равна ширине прямого участка реборды калибра (Аб).

Если изменение ширины реборда калибра меньше вытяжки обжимаемой заготовки (Аб < Вб), то металл будет отходить от реборды и на поверхности заготовки будет образовываться накат, который при дальнейшем обжатии заготовки раскатается в плёнку. Если изменения ширины реборда калибра больше, чем вытяжка заготовки (Аб > Вб), то в обжимаемой перемычке возникают осевые растягивающие напряжения, которые могут привести к разрыву перемычки.

Опыт показывает, что в конус формующего участка, когда перемычка имеет сравнительно малый диаметр (менее 10 мм), второе условие образования формы шара обычно не удается выдержать. При этом накаты и плены на поверхности шара все же не образуются, так как металл течет преимущественно в радиальном направлении и перемычке приобретает овальную форму. В противоположность этому в начале формирующего участка,, когда диаметр перемычки еще велик,, реборда калибра обычно расширяется интенсивнее перемычки и вследствие этого в последней возникают осевые растягивающие напряжения.

Таким образом, для выполнения как первого, так и второго условий образования формы шара реборда на различных участках калибра должна иметь строго определенную толщину. В связи с этим формующий участок калибра имеет переменный шаг нарезки.

На основании третьего положения можно констатировать, что при прокатке шаров условия, препятствующие образованию рыхлости внутри заготовки, наиболее благоприятны, так как обжатие ведется сравнительно узкими участками, сферические участки заготовок не подвергаются обжатию и сдерживают раскатку перемычек в поперечном направлении.

Отделочный участок калибра имеет постоянный шаг и профиль, соответствующий профилю прокатываемого шара.

Установлено, что с увеличением интенсивности обжатия склонность к разрыхлению металла уменьшается. Однако интенсивность обжатия можно увеличить лишь до определенного предела, ограниченного условиями захвата заготовки валками.

При чрезмерном обжатии заготовки нарушается сцепление между валками и заготовкой и последняя начинает проскальзывать в валах.

Также установлено, что для увеличения интенсивности обжатия с целью предотвращения разрыхления металла целесообразно по возможности сокращать длину формующего участка.

При значительной ширине реборды в обжимаемой цилиндрической заготовке вскрывается полость и лишь при отношении ширины реборды к номинальному диаметру заготовки меньше единицы можно достигнуть весьма большого обжатия, близкого к полному отделению заготовки без разрыхления металла.

При увеличении ширины реборды, по сравнению с расчетной величиной, определенной из условия постоянства металла обжимаемая часть заготовки будет принудительно растягиваться, и в очаге деформации возникнут осевые растягивающие напряжения.

Наличие осевых растягивающих напряжений способствует вытяжке заготовки и уменьшению раскатки по диаметру, тем самым уменьшается склонность к разрыхлению металла при поперечной прокатке. Однако при прокатке в валках с узкими ребордами использовать натяжение можно лишь ограничено, так как при незначительном изменении ширины реборды натяжение резко изменяется, и может наступить преждевременный обрыв заготовки в валках.

При правильном ведении технологического процесса разрыхлении металла при поперечно - винтовой прокатке шаров не наблюдается, а шары по симметрии и качеству поверхности, по структуре и механическим свойствам удовлетворяют требованиям, предъявляемым к шарам.

Шары диаметром 100 и 125 мм прокатывают в валках с одним винтовым калибром. Шары других диаметров (20-90 мм) катают в валках, имеющих от одного до четырёх калибров.

Возможность использование многозаходных валков позволяет значительно увеличить производительность станов и снизить удельный расход валков. Возможность использования многозаходных валков определяется мощностью привода клети и размерами валка.

Многозаходную калибровку валков для прокатки шаров рассчитывают с учетом основных требований для однозаходных калибров. Основные данные для расчета многозаходных калибровок: номинальный диаметр шара с учетом температуры прокатки, высоту реборды на захвате, диаметр перемычки, соединяющей шары в конце формовки, длину отделочного и формующего участков винтового калибра, толщину вершины реборды в начале формующего участка выбирают на основе тех же предпосылок, что и для однозаходных калибровок. Однако формула для определения ширины реборды, выведенные из условия постоянства объёма металла в однозаходном калибре, не обеспечивает для многозаходных калибровок правильности вытяжки перемычки. Под ребордой получается недопустимый избыток металла. Для его устранения необходимо подрезать на формующем участке не только наружную часть реборды, но и внутреннюю часть калибра. Величина внутреннего перемещения реборды должна быть одинакова на всём формующем участке. С учетом этого уточняется толщина вершины реборды, её наружное перемещение и определяются шаги нарезки формующего участка.

Для изготовления валков применяют материал, подвергающейся наименьшей деформации при термической обработке и образующей в термически обработанном состоянии высокой твердостью и износостойкостью. Таким требованиям удовлетворяют высокопрочные инструментальные стали. Сталь для изготовления валков проходит металлографический контроль на карбидную неоднородность и на содержание неметаллических включений.

В целях получения минимальной карбидной неоднородности рекомендуются заготовки для валков подвергать ковке при многократной осадке и вытяжке.

3.3 Расчет калибровки валков

Диаметр прокатного валка выбирается из условия прочности осей валков и надежности захвата заготовки валками: Д_в =300 мм

Радиус поперечного сечения калибра следует брать с учетом объемного расширения заготовки при нагреве ее до температуры прокатки:

R = 1,01; (3.1)

R = 1.01

где Д_ш - диаметр прокатываемого шара; = 60 мм. Протяженность калибра условно измеряют в градусах развертки витковой линии калибра. Общая протяженность калибра б = 1245. Протяженность отделочного участка калибра:

б =

Калибрующий участок валка принимается равным 5,3 оборота заготовки, это вполне достаточно для калибровки сформированного шара.

Протяженность формующего участка:

б =

Формующий участок валка принимается равным 8,3 оборота заготовки.

Диаметр перемычек соединяющий прокатанные шары, должны быть возможно меньшими, чем тоньше перемычки, тем лучше и легче отбиваются они при галтовке шаров в барабанах. Опытным путем установили следующие размеры перемычек:

Диаметр передней перемычки: r_п = 2.14 мм; d_п = 4,28 мм;

Диаметр задней перемычки:

r_з = 0, 19R + 0.34 мм; d_з = 2 r_з мм; (3.2)

r_з = 6.12 мм; d_з = 12,24 мм;

Температура прокатки: Т_пр= 1000 С

Высота реборды в начале калибра, исходя из условия надежного захвата заготовки валками, равна: h = 2,6

Во избежание разрушения в центральной части заготовки ширина реборды в отделочном участке калибра должна быть как можно меньшей. Ширина реборды определяется, исходя из условия прочности реборды:

b_к = 0.14R + 2.6 мм; (3.3)

b_к = 0.14 30,44 + 2.6 = 6,8 мм;

Глубина канавок на вершине реборды выбирается так, чтобы объем образовавшегося кармана соответствовал металла, вытесняемому ребордой при утонении перемычки.

На первом полувитке калибра (б = 180?) при обжатии заготовки металл свободно оттесняется назад, т.е. в сторону, противоположную направления движения заготовки. В следствии этого ширина реборды на этом участке должна выбирается так, чтобы при обжатии заготовка не отставала от реборды калибра. Анализ условий обжатия перемычки показывает, что если для упрощения изготовления валков принять на этом участке постоянную ширину реборды, то в перемычке будут возникать осевые растягивающие напряжения, и следовательно, обжимаемая заготовка всегда будет прилегать к реборде калибра:

b_к = 0.04R + 1,3 мм; (3.4)

b_к = 0.04 30,44 + 1,3 = 2,5 мм;

На основании принятых исходных данных определяем высоты реборд hб через каждые 90? поворота оси валка.

Далее, в соответствии с рисунком, ширина реборды (б_б-360) в любом произвольном сечении формующего участка калибра равна:

б_б-360 = t₀ - 2C_б-360 - S_{б-360 (}3.5)

где t₀ - шаг порезки отделочного участка калибра, который принято называть основным шагом нарезки:

t_о = b_к + 2 (3.6)

где b_к - ширина реборды на отделочном участке;

R - радиус профиля калибра;

r_{п -} радиус передней перемычки.

Калибровка трехзаходная поэтому Т_осн = 202.5

С_б-360 - ширина сферического участка калибра

(3.7)

S_б-360 - величина на которую подрезается калибр, на данном участке, для получения необходимой ширины реборды.

На основании условия постоянства объёма обжимаемого металла в любом сечении калибра и принимая во внимание обозначения на рис. 3.1, можно написать такое равенство:

V_общ = V_б + V_cб + VS_б-360 + V_б-360 + VС_б-360 (3.8)

где V_общ - объем прокатываемого шара и перемычки.

Объем прокатываемого шара и перемычки находим по формуле:

V_общ = (4рR³) /3 + (рd²б) /4; (3.9)

V_общ = (4·3,14·30,44³) /3 + (3,14·2,14²·3) /4 = 118097 мм³;

Элементы объема, входящие в правую часть равенства, выражаются следующими соотношениями:

V_б = рd² /4 · a_б/2; (3.10)

V_сб = рС_б (R² - С_б²/3); (3.11)

С_б = ; (3.12)

V_б-360 = (рd²_б-360) /4 · (a_б-360) /2; (3.13)

VS_б-360 = рR²S_б-360 (3.14)

Определим S_б-360 из равенства:

S_б-360 = t_о - 2С_б-360 - a_б-360 (3.15)

На основании равенств находим:

VS_б-360 = рR² (t_о - 2С_б-360) - рR²·a_б-360 (3.16)

Результаты расчетов заносим в таблицу 3.1

Таблица 3.1 Расчет ширины реборды.

б	hб	dб	cб	Vcб	Vб	рR2 (tо - 2Сб-360)	р (R2·aб-360/8)	aб
1245	2.6	12.24	12,3	33980	152,8	-	-	2,6
1205	4,5	11,5	15,9	42236	98,6	-	-	1,9
1115	7,5	10,8	20,0	50046	137,3	-	-	3,0
1025	105	9,7	23	54447	110,7	-	-	3,0
935	13,7	8,7	25,4	57041	-	45588	2905	3,2
845	16,5	8,1	27	58265	-	39278	2906	2,8
755	19	7,2	28,2	59074	-	32295	2907	2,5
665	22,5	6,25	29,4	59278	-	24824	2904	3,5
575	25	5,28	30	59369	-	21821	2907	2,5
485	28	4,28	30,4	59392	-	19493	2906	3,0

На рисунке 3.2 показана расчетная схема калибровки.

Рисунок 3.2 - Схема к выводу формулы, выражающей условие постоянства объема металла в калибре

Рисунок 3.3 показывает определение вытяжки перемычки при повороте валка на 90.

Рисунок 3.3 - Определение вытяжки перемычки при повороте валка на 90.

Согласно рисунку 3.3 на двух соседних участках калибра должно удовлетворяться равенство:

2V_б+90 = 2V_б +2 (V_cб - V_cб-90); (3.17)

V_б = рd²/4 · b_б/2; (3.18)

Исходя из этого, находим из равенства b_б:

b_б = (2V_б+90 - 2 (V_cб-V_cб+90)) / (рd²/4); (3.19)

Результаты расчетов приведены в таблице 3.2:

б	dб	рd2/4	2Vб+90	2 (Vcб-Vcб+90)	bб	бб - bб
665	6.25	30.6	135.6	408	8.9	5.4
575	5.28	21.8	107.2	182	3.4	-0.9
485	4.28	14.3	60	46	0.9	2.1

Найденная по формуле длина перемычки b_б меньше ширины реборды б_б, это означает, что металл соприкасаться с поверхностью калибра во всех его точках и плен на поверхности шара не будет соприкасаться с поверхностью калибра во всех его точках и плен на поверхности шара не будет.

Далее подсчитываются подрезки на отдельных участках калибра по формуле:

t_подр = t₀ - (S_б+90 - S_б ·360) /90; (3.20)

где Sб и Sб₊₉₀ - величины развалки на соседних участках калибра, определяемые по равенству:

S_б = t₀ - С_б - a_{б (}3.21)

Результаты расчетов сводим в таблицу 3.3

Таблица 3.3

Расчет нарезки калибра валков.

б	Sб	tподр
485	3.7	82.3
575	5	72.7
665	5.2	66.7
755	8.6	53.9
845	10.7	59.1
935	13.5	56.3
1025	18.5	47.5
1115	24.5	43.5
1205	33.8	30.3
1245	40.3	41.5

3.4 Определение крутящих моментов при прокатке шаров

Крутящий момент, действующий на валки в процессе прокатки, называется моментом прокатки. Момент прокатки - один из основных энергосиловых параметров процесса, т.к. обуславливает мощность двигателя прокатного стана и размеры основных узлов стана. Умение определять момент прокатки дает возможность рассчитывать оптимальные режимы деформации металла при прокатке.

Абсолютное и относительное обжатия, мм:

d₀ - d₁; (3.22)

е = / d₀; (3.23)

где d₀,d₁ - диаметр заготовки и диаметр шара.

62-60 = 2;

е = 2/62 = 0,03;

Длина дуги захвата, мм:

l = ; (3.24)

l = ;

Показатель формы очага деформации:

l/d_ср = 2l/ (d₀ + d₁); (3.25) l/d_ср = 2·17.3/ (62+60) = 0.28;

Коэффициент контактного трения:

м = К₁К₂К₃ (1,05-0,0005t); (3.26)

где К_{1 -} коэффициент для стальных валков, К₁ = 1,0;

К₂ - коэффициент учитывающий скорость прокатки, К₂ = 0,72;

К₃ - коэффициент учитывающий химический состав металла, К₃=1,0;

t - температура нагрева заготовки;

U - средняя скорость деформации;

м = 0,72 (1,05-0,0005·1000) =0.34;

Контактная площадь, мм²:

F = d_ср l = (d₀ + d₁) l/2; (3.27)

F = (62+60) 17,3/2 = 1055;

Истинный предел текучести полосы, МПа:

у_s = A₀е^A U^A / l^{A t}; (3.28)

у_s = 130 (0,03) ^0,252 (1,5) ^0,143/17,3^2,5 = 6,5;

Коэффициент напряженного состояния:

n_д = (l/h_ср) - ^0,4; (3.29)

n_д = (17,3/2) - ^0,4 = 0,42;

Среднее контактное давление металла на валки, МПа:

p_ср = 2Kу_sn_д; (3.30)

p_ср = 2 · 6,5 · 0,42 =3,13;

Усилие прокатки, кН:

P = p_ср F; (3.31)

P = 3.13·1055 = 3312.7;

Крутящий момент на валу двигателя, необходимый для привода валков, состоит из трех частей, кНм:

М_дв = (М_пр+М_{х. х.} +М_дин) /i; (3.32)

где М_пр - момент прокатки, т.е. момент, требующийся для обжатия полосы в зоне деформации;

М_{х. х} - момент потерь в главной линии стана, необходимый для преодоления сопротивлений трения в валковых опорах;

М_дин - динамический момент на валу двигателя, возникающий про изменениях скорости прокатки;

i - передаточное число редуктора привода, i = 6.42;

ш - коэффициент плеча приложения равнодействующей;

Момент прокатки, кНм:

М_пр = 2Ршl; (3.33)

М_пр = 2·3,3·0,5·0,0173=0,057;

Динамический момент, кНм:

М_дин = GD²/375; (3.34)

М_дин = 18,75/375=0,05;

Момент холостого хода обычно определяют экспериментально. Рабочие валки нажимными устройствами или специальными домкратами, подложенными под нажимные винты, прижимаются др. к др. с усилием, равным усилию прокатки, после чего измеряют нагрузку на двигатель при их вращении.

М_{х. х.} = Р·м_тр·d_ш; (3.35)

М_{х. х.} = 3,3·0,1·0,2 = 0,06;

Крутящий момент на валу двигателя:

М_дв = (3,3+0,06+0,05) /6,42=0,53;

Мощность прокатки на валу двигателя для заданной скорости вращения вычисляют по моменту прокатки и моменту потерь для заданной скорости вращения. При определении скорости мощности учитывают к. п. д. редуктора.

Мощность привода, кВт:

N = М_двщ/з; (3.36)

N = 0,53·294/0,9 = 173;

Принимаем двигатель мощностью 185 кВт.

3.5 Расчет на прочность вала рабочего валка

Выбор расчетной схемы и определение расчетных нагрузок. Расчет валов базируют на тех разделах курса сопротивления материалов, в которых рассматривают неоднородное напряженное состояние и расчет при переменных напряжениях. При этом действительные условия работы вала заменяют условными и приводят к одной из известных расчетных схем. При переходе от конструкции к расчетной схеме производят схематизацию нагрузок, опор и формы вала. В следствии такой схематизации расчет валов становится приближенным. В расчетных схемах используют три основных типа опор: шарнирно-неподвижную, шарнирно-подвижную, защемление или заделку.

На практике установлено, что для валов основным видом разрушения является усталостное. Статическое разрушение наблюдается значительно реже. Оно происходит под действием случайных кратковременных перегрузок. Поэтому для валов расчета сопротивление усталости является основным. Расчет на статическую прочность выполняют как проверочный.

Предварительно оцениваем средний диаметр вала из расчета только на кручение:

, мм (3.37)

где Т - крутящий момент, Т = 19250 Нм

Разрабатываем конструкцию вала и оцениваем его размеры: диаметр в месте посадки валка d_в = 201мм; диаметр в месте посадки подшипников d_п = d_в - 5 = 201 - 5 = 196мм; l = 70; a = b = 35мм; с = 30мм.

Определяем допустимую радиальную нагрузку на выходном конце вала:

F_м = 250; (3.38)

F_м = 250 , Н

Определяем силы в зацеплении, Н:

F_т = 2Т/d₁ (3.39)

F_т = 2·19250·10³/250 = 154·10³;

F_а = F_т tgв (3.40)

F_а = 154·10³·0.1405 = 21640;

F_r = F_т tgб/cosв (3.41)

F_r = 154·10³·0.364/0.99 = 56622;

где d₁ - делительный диаметр валка, d₁ = 250 мм;

F_т - окружная сила;

F_а - осевая сила;

F_r - радиальная сила;

Определяем реакции в опорах и строим эпюры изгибающих и крутящих моментов. Рассмотрим реакции от сил F_r и F_а, действующих в вертикальной плоскости (рис. 8). Сумма проекций: F_r = А₁+В₁; F_а = Н₁. Сумма моментов В₁l= F_r l/2 + F_аd₁/2. При этом:

В₁ = F_r /2 + F_аd₁/ (2l), Н; (3.42)

В₁ = 56622/2 - 21640·250/ 2·140 = 19320

А₁ = F_r - В₁, Н; (3.43)

А₁ = 56622 - 11405 = 37302;

Реакция от сил F_t и F_м, действующих в горизонтальной плоскости

А₂+В₂=F_t-F_м; В₂l= F_tl/2 - F_м (c+1):

В₂= F_t /2 - F_м (c/l+1), Н; (3.44)

В₂ = 154·10³/2 - 34686 ( (30/70) +1) = 27550;

А₂ = F_{t -} F_{м -} В₂, Н; (3.45)

А₂ = 154·10³ - 34,6·10³ - 27,5·10³ = 91,9·10³.

Просчитываем два предполагаемых опасных сечения: сечение 1-1 под валком, и сечение 2-2 рядом с подшипником. Для первого сечения изгибающий момент:

, Н·мм; (3.46)

М = =3470·10³

Крутящий момент T = 19250·10³ Н·мм.

Напряжение изгиба: у_и = М/W_и = 3470·10³/0,1·201³ = 4,3МПа;

Напряжение кручения: ф = Т/W_р = 19250·10³/0,2·201³=11,8 МПа.

Пределы выносливости определяются по формулам:

у_-1 = 0,4у_в = 0,4·750=300 МПа;

ф_-1 = 0,2у_в = 0,2·750=150 МПа;

ф_в = 0,6·650=390 МПа

По табличным данным для прессовой посадки К_у = 1,7, К_ф = 1,4.

Таблица 3.4 - Концентрации напряжений в рабочих валках.

Находим запас сопротивления усталости по изгибу:

S_у = у_-1/ (у_aК/К_d·К_f +ш_фу_m); (3.47) S_у = 300·0,72/1,7·4,3 = 4,3;

Находим запас сопротивления усталости по кручению:

S_ф = ф_-1/ (ф _aК_т/К_d·К_f +ш_фу_m); (3.48)

S_ф = 150/ (1,4·6) /0,72+0,05·6 = 12,7

Находим запас сопротивления усталости при совместном действии напряжений кручения и изгиба:

S = S_ф+ S_ф/ ; (3.49)

S = 4.3·12.7/;

Для второго сечения изгибающий момент:

М = F_мc = 34686·30 = 1040·10³, Н·мм;

Крутящий момент T = 19250·10³ Н·мм.

Напряжение изгиба: у_и = М/W_и = 1040·10³/0,1·196³ = 1,38 МПа;

Напряжение кручения: ф = Т/W_р = 19250·10³/0,2·196³ = 12,8 Мпа.

Принимаем r галтели равными 2 мм; r/d = 0.04 b находим Ку=2; Кф=1,6 (таблица 4)

Находим запасы сопротивлений усталости на изгиб и на кручение S_у=1,66; S_ф = 5,9

S = 1.66·5.9/

Больше напряженно второе сечение.

Проверяем статическую прочность при перегрузках

У_эк = (3.50)

у_эк =

у_и = М/ (0,1d³) = 124 МПа;

ф = Т/ (0,2d³) = 115,6;

Проверяем прочность вала. По условиям работы валка опасным является прогиб вала под валком. Для определения прогиба используем таблицу 3.5

Таблица 3.5 - Определение прогиба.

Средний диаметр на участке l принимаем равным d_в = 201 мм.

Полярный момент инерции сечения вала:

Ј = рd⁴/200 = 3.14·201⁴/200 = 2562·10⁴ мм⁴

Прогиб в вертикальной плоскости:

от силы F_r:

y_в = F_r a² b²/3EJl, мм;

y_в = 56622·35²·35²/3·2,1·10⁵·2562·10⁴·70 = 0,00007 мм.

от момента М_а прогиб равен нулю.

Прогиб в горизонтальной плоскости от сил F_t и F_м:

y_г = F_t a² b²/3EJl + F_мса (l²-a²) / 6EJl, мм; (3.51)

y_г = 0.0002 + 0.00006 = 0.00026.

Суммарный прогиб:

y = , мм; (3.52)

у = = 0,00027 мм.

Допускаемый прогиб = 0,01m = 0.01·5=0.05>0.00027 мм.

Таким образом, условия прочности и жесткости выполняются. По этим условиям диаметр вала можно сохранить.

3.6 Расчет режима нагрева заготовки

Время охлаждения переднего и заднего конца заготовки:

ф_п = (d_з · l_з) /d · (1/х_п - 1/ х_р) + l_р/х_{р (}3.53)

ф_п =

ф_з = (l_р - (d_з · l_з) /d) 1/ х_р + (d_з · l_з) /d·х_р (3.54)

ф_з =

где d_з,l_з - диаметр и длина заготовки;

l_р - длина рольганга;

х_р и х_п - скорость рольганга и прокатки.

Среднемассовая температура заготовки на входе в первую клеть:

Т_оВХ = (0,978 - 0,123ф_з/h_з) Т_н + 96,85ф_з/h_з; (3.55)

Т_оВХ =

где ф_з - время транспортировки заготовки от печи до первой клети; Т_н - температура нагрева заготовки. Температура полосы на выходе из клети:

Т = А₆ · Т_оВХ + А₂ d₀/d₁ + А₄· d_{1 -} А₅; (3.56)

Т = 0,975·1074+30=1077

Коэффициенты уравнений приведены в таблице 3.6

Таблица 3.6 - Коэффициенты для расчета температуры прокатки.

Номер клети	Значение коэффициентов
	А1	А2	А3	А4	А5	А6	А7
1	116,7	0	0	0	-30	0,975	0,136
2	115,7	19,9	10	0,064	24,6	-0,99	0,129

3.7 Расчет производительности стана и количества шаропрокатных шаров

Производительность шаропрокатного стана:

Q_мин = (n_в/1,5) ·m, кг/мин; (3.57)

где n_в - частота вращения валка;

m - масса шара, m = 0,98;

1,5 - количество оборотов требуемых для производства одного шара.

Q_мин = (75/1,5) 0,98 = 49;

Часовая производительность стана, т/час:

Q_час = Q_мин · 60; (3.58)

Q_час = 49·60 = 2,9

Сменная производительность стана, т/см:

; (3.59)

Q_см = (12-1) ·2,9·0,8·0,95·0,8·0,7=13,7

где - продолжительность смены, , час;

время подготовительно заключительных операций и регламентированных перерывов, , час;

- коэффициент, учитывающий простои из-за отсутствия транспорта, ;

- коэффициент использования транспорта, ;

- коэффициент управления, ;

- коэффициент потерь, ;

Годовая производительность стана, т/год:

Q_год = Qсм·N·n; (3.60) Q_год = 13,7·300·2=8160

Число рабочих станов, шт:

N_ст = А/Q_год; (3.61) N_ст =10000/8160=1,2

Инвентарный парк, шт:

N_инв= N_стk_и; (3.62)

где k_и - коэффициент использования, k_и=1,3;

N_инв= 1,2·1,3=1,56

Применяем два шаропрокатных стана.

4. Охрана труда

4.1 Основные разделы охраны труда

Охрана труда в нашей стране представляет собой систему законодательных актов и соответствующих им социально-экономических, технических, гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранность здоровья и работоспособность людей в процессе труда. Проведение этих мероприятий осуществляется на основе общих, межотраслевых и отраслевых инструкций, государственных стандартов системы безопасности труда (ССБТ) и других нормативных документов, утвержденных в установленном порядке.

К основным разделам охраны труда относятся техника безопасности и производственная санитария. Под техникой безопасности понимается система организационных и технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих опасных производственных факторов. При разработке и проведении мероприятий по технике безопасности учитываются и требования производственной санитарии по предотвращению воздействия на работающих вредных производственных факторов. На предприятиях вопросами техники безопасности и производственной санитарии занимаются специальные отделы, подчиненные непосредственно главному инженеру. Эти отделы разрабатывают и проводят конкретные меры по охране труда, а также осуществляют контроль за их соблюдением.