blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-3-283-289blackmet-2549Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИсследование теплового режима рабочих валков стана горячей прокатки с целью повышения точности расчета температур поверхностей их бочекInvestigation of thermal mode of hot-rolling mill working rolls in order to improve the accuracy of calculating the thermal profile of their barrels’ surfacehttps://orcid.org/0000-0002-0443-4135ШалаевскийД. Л.ShalaevskiiD. L.

Дмитрий Леонидович Шалаевский, к.т.н., доцент кафедры металлургии, машиностроения и технологического оборудования

Россия, 162600, Вологодская обл., Череповец, пр. Луначарского, 5

Dmitrii L. Shalaevskii, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair of Me­tallurgy, Mechanical Engineering and Technological Equipment

5 Lunacharskogo Ave., Cherepovets, Vologda Region 162600, Russian Federation

shal-dmitrij@yandex.ruЧереповецкий государственный университетРоссияCherepovets State UniversityRussian Federation202328062023663283289Copyright © Шалаевский Д.Л., 20232023Шалаевский Д.Л.Shalaevskii D.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2549

Тепловой режим бочки рабочего валка непрерывного стана горячей прокатки – значимый фактор технологии, который влияет на качество формы стальной полосы, ее поперечное сечение, стойкость рабочих валков. Достоверный расчет параметров температурного режима позволяет определить форму теплового профиля и наилучшую профилировку поверхности бочки валка, добиться уменьшения дефектов планшетности готового проката. Наиболее распространенной является балансная модель теплового режима валка, точность которой в значительной степени определяется теплофизическими постоянными, в частности коэффициентами теплообмена валков: контактного – с полосой и конвективного – с охлаждающей водой. Имеются различные сведения о значениях и методах расчета этих коэффициентов, но большинство из них не учитывают наличие пауз в ритме прокатки чистовой группы клетей, длительность которых значительна. Отсутствие учета этого фактора влечет за собой существенные ошибки в расчетах теплового режима бочки валка. Проведен пассивный эксперимент, в ходе которого с помощью термопары измерены температуры поверхностей бочек рабочих валков в нескольких точках по их длине сразу же после вывалки. Также определены параметры прокатки стальных полос перед перевалкой: коэффициенты ритма прокатки, обжатия полосы в клетях, расходы воды на охлаждение валков и некоторые другие параметры. В результате получено эмпирическое уравнение для расчета коэффициента контактного теплообмена, учитывающее основные факторы технологии, в том числе длительность пауз в ритме прокатки. Использование уточненных коэффициентов для расчета температур бочки валка значительно повысило точность прогнозирования теплового режима, в частности теплового профиля рабочего валка, по значениям параметров прокатки.

Thermal mode of the working roll barrel in a hot-rolling mill is a significant technological factor that affects the steel strip quality, its cross section, and durability of working rolls. A reliable calculation of the temperature mode parameters makes it possible to determine the thermal profile shape and the best profiling of the roll barrel surface, as well as to reduce defects in steel strip flatness. The most common is the balance model of roll thermal mode. Its accuracy is largely determined by thermophysical constants, in particular, the heat transfer coefficients of the rolls: contact – with the strip and convective – with cooling water. There are various data on the values ​​and methods for calculating these coefficients, but most of them do not take into account the presence of pauses in rolling rhythm of the finishing group of stands, the duration of which is significant. Failure to take this factor into account entails significant errors in calculations of the thermal mode. A passive experiment was carried out, during which surface temperatures of the working rolls’ barrels were measured using a thermocouple at several points along their length immediately after they fell out. Also, the parameters of steel strip rolling before roll change were determined: rolling rhythm coefficients, strip reduction in stands, water consumption for cooling rolls and some others. As a result, an empirical equation was obtained for calculating the contact heat transfer coefficient, taking into account the main technological factors. The use of refined coefficients for calculating the temperatures of the roll barrel significantly increased the accuracy of predicting the thermal mode, in particular, the thermal profile of the working roll, based on values ​​of the rolling parameters.

непрерывный стантепловой режимгорячая прокаткастальные полосыплоскостностьформа поперечного профилякоэффициент контактного теплообменабочка рабочего валкатемпература поверхноститепловой профильуравнения теплового балансаCCMthermal modecontinuous hot rollingsteel stripflatnesscross section shapecontact heat transfer coefficientworking roll barrelsurface temperaturethermal profilebalance equationsReferencesГарбер Э.А., Хлопотин М.В., Трайно А.И., Попов Е.С., Савиных А.Ф. Моделирование теплового режима валков широкополосного стана горячей прокатки для определения эффективных режимов их охлаждения. Металлы. 2009;(3):34–47.Garber E.A., Khlopotin M.V., Traino A.I., Popov E.S., Savi­nykh A.F. Simulation of the thermal conditions of rolls in a wide-strip hot-rolling mill to determine their effective cooling conditions. Russian Metallurgy (Metally). 2009;(3):208–219.Бельский С.М., Мазур И.П., Астахов А.А. Упрощенная методика вычисления тепловой профилировки рабочих валков стана горячей прокатки. Производство проката. 2018;(2):3–6.Bel’skii S.M., Mazur I.P., Astakhov A.A. Simplified computational procedure of thermal profiling of working rolls of hot-rolling mill. Proizvodstvo prokata. 2018;(2):3–6. (In Russ.).Антонюк В.В., Федин А.Г., Мустафин В.А., Дема Р.Р., Платов С.И., Амиров Р.Н., Колдин А.В. Харченко М.В. Опыт настройки и управления тепловым состоянием рабочих валков широкополосного стана 2000 горячей прокатки ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Материалы ХI Международного конгресса прокатчиков. Том 2. 2017.Antonyuk V.V., Fedin A.G., Mustafin V.A., Dema R.R., Platov S.I., Amirov R.N., Koldin A.V. Kharchenko M.V. Setting up and controlling the thermal state of working rolls in the 2000 wide-strip hot-rolling mill of PJSC “Magnitogorsk Iron and Steel Works”. In: Proceedings of the XI Int. Congress of Rollers. Vol. 2. 2017. (In Russ.).Гарбер Э.А., Мишнев П.А., Шалаевский Д.Л., Палигин Р.Б., Михеева И.А., Болобанова Н.Л. Новые методы моделирования и уменьшения неплоскостности стальных полос при горячей прокатке на широкополосных станах. Материалы Международного научного семинара «Научно-технический прогресс в металлургии – 2013». 2014:70–82.Garber E.A., Mishnev P.A., Shalaevskii D.L., Paligin R.B., Mikheeva I.A., Bolobanova N.L. New methods for mode­ling and reducing the non-flatness of steel strips during hot rolling on wide-strip mills. In: Proceedings of the Int. Sci. Seminar “Scientific and Technological Progress in Metallurgy – 2013”. 2014:70–82. (In Russ.).Hamraoui M. Thermal behaviour of rollers during the rolling process. Applied Thermal Engineering. 2009;29(11–12): 2386–2390. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.12.013Hamraoui M. Thermal behaviour of rollers during the rolling process. Applied Thermal Engineering. 2009;29(11–12): 2386–2390. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.12.013Johnson R.E., Keanini R.G. An asymptotic model of work roll heat transfer in strip rolling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1995;41(6–7):871–879. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(97)00175-0Johnson R.E., Keanini R.G. An asymptotic model of work roll heat transfer in strip rolling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1995;41(6–7):871–879. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(97)00175-0Campos A.M., Garcia D.F., Usamentiaga R., de Aba­jo N., Gonzalez J.A. Real time model for the intelligent cont­rol of cooling systems for hot strip mill work rolls. 26th Annual Conference of the IEEE. 2000. https://doi.org/10.1109/IECON.2000.972272Campos A.M., Garcia D.F., Usamentiaga R., de Aba­jo N., Gonzalez J.A. Real time model for the intelligent cont­rol of cooling systems for hot strip mill work rolls. 26th Annual Conference of the IEEE. 2000. https://doi.org/10.1109/IECON.2000.972272Hlady C.O., Brimacombe J.K., Samarasekera I.V., Hawbolt E.B. Heat transfer in the hot rolling of the metal. Metallurgical and Material Transactions B. 1995;26:1019–1027. https://doi.org/10.1007/BF02654104Hlady C.O., Brimacombe J.K., Samarasekera I.V., Hawbolt E.B. Heat transfer in the hot rolling of the metal. Metallurgical and Material Transactions B. 1995;26:1019–1027. https://doi.org/10.1007/BF02654104Zhang X.M., Yiang Z.Y., Tieau A.K., Liu X.N., Wang G.D. Numerical modeling of the thermal deformation of CVC work rolls in hot strip rolling. Journal of Material Processing Technology. 2002;130–131:219–223. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00736-7Zhang X.M., Yiang Z.Y., Tieau A.K., Liu X.N., Wang G.D. Numerical modeling of the thermal deformation of CVC work rolls in hot strip rolling. Journal of Material Processing Technology. 2002;130–131:219–223. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00736-7Serajzadeh S., Karemi Taheri A., Mucciardi F. Unsteady state work-roll temperature distribution during continuous hot slab rolling. International Journal of Mechanical Sciences. 2002;44(12):2447–2462. https://doi.org/10.1016/S0020-7403(02)00179-0Serajzadeh S., Karemi Taheri A., Mucciardi F. Unsteady state work-roll temperature distribution during continuous hot slab rolling. International Journal of Mechanical Sciences. 2002;44(12):2447–2462. https://doi.org/10.1016/S0020-7403(02)00179-0Mercado-Solis R.D., Talamantes-Silva J., Beynon J.H., Hernandes-Rodrigues M.A.L. Modelling surface thermal da­mage to mill rolls. Wear. 2007;263(17–20):1560–1567. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.12.062Mercado-Solis R.D., Talamantes-Silva J., Beynon J.H., Hernandes-Rodrigues M.A.L. Modelling surface thermal damage to mill rolls. Wear. 2007;263(17–20):1560–1567. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.12.062Hwang S.M., Sun C.G., Ryoo S.R., Kwak W.J. An itegrated FE process model for prevision analysis of the thermo-mechanical behaviours of rolls and strip in hot strip rolling. Computer Methods in Applied Mechanics and Engeneering. 2002;191:4015–4033. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(02)00298-0Hwang S.M., Sun C.G., Ryoo S.R., Kwak W.J. An itegrated FE process model for prevision analysis of the thermo-mechanical behaviours of rolls and strip in hot strip rolling. Computer Methods in Applied Mechanics and Engeneering. 2002;191:4015–4033. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(02)00298-0Kotrbacek P., Horsky J., Raudensky M., Pohanka M. Experimental study of heat transfer in hot rolling. Revue de Métallurgie. 2006;103(7–8):333–341. https://doi.org/10.1051/metal:2006134Kotrbacek P., Horsky J., Raudensky M., Pohanka M. Experimental study of heat transfer in hot rolling.  Revue de Métallurgie. 2006;103(7–8):333–341. https://doi.org/10.1051/metal:2006134Arif A.F., Khan O., Zubair S.M. Prediction of roll temperature with a non-uniform heat flux at tool and workpiece interface. Heat and Mass Transfer. 2004;41(1):75–94. https://doi.org/10.1007/s00231-004-0508-6Arif A.F., Khan O., Zubair S.M. Prediction of roll temperature with a non-uniform heat flux at tool and workpiece interface. Heat and Mass Transfer.  2004;41(1):75–94. https://doi.org/10.1007/s00231-004-0508-6Гарбер Э.А. Моделирование и совершенствование теплового режима и профилировок валков: Монография. Череповец: ЧГУ; Москва: Теплотехник; 2013:114.Garber E.A. Modeling and Improvement of Thermal Mode and Forming of Rolls: Monograph. Cherepovets: ChSU; Moscow: Teplotekhnik; 2013:114. (In Russ.).Гарбер Э.А., Хлопотин М.В., Савиных А.Ф., Кожевников А.В., Голованов А.В., Смирнов В.С. Промышленные испытания усовершенствованных профилировок рабочих валков на широкополосном стане горячей прокатки. Производство проката. 2008;(4):18–22.Garber E.A., Khlopotin M.V., Savinykh A.F., Kozhevnikov A.V., Golovanov A.V., Smirnov V.S. Industrial tests of improved crowning of work rolls in wide-strip hot rolling mill. Proizvodstvo prokata. 2008;(4):18–22. (In Russ.).Гарбер Э.А., Хлопотин М.В., Попов Е.С., Савиных А.Ф., Голованов А.В. Повышение эффективности охлаждения валков широкополосного стана горячей прокатки с использованием адаптивных математических моделей теплового баланса. Производство проката. 2009;(4):12–24.Garber E.A., Khlopotin M.V., Popov E.S., Savinykh A.F., Golovanov A.V. Improving the efficiency of cooling rolls in a wide-strip hot rolling mill using adaptive mathematical models of heat balance. Proizvodstvo prokata. 2009;(4):12–24. (In Russ.).Гарбер Э.А. Станы холодной прокатки. Москва: Черметинформация; 2004.Garber E.A. Cold Rolling Mills. Moscow: Chermetinformatsiya; 2004. (In Russ.).Гарбер Э.А., Мишнев П.А., Шалаевский Д.Л., Палигин Р.Б., Михеева И.А., Болобанова Н.Л. Моделирование и уменьшение неплоскостности полос при горячей прокатке на стадии настройки широкополосного стана. Производство проката. 2014;(3):7–13.Garber E.A., Mishnev P.A., Shalaevskii D.L., Paligin R.B., Mikheeva I.A., Bolobanova N.L. Modeling and reduction of strips non-flatness during hot rolling at the stage of setting up a wide-strip mill. Proizvodstvo prokata. 2014;(3):7–13. (In Russ.).Шалаевский Д.Л., Корепина К.П. Исследование влияния поперечного профиля холоднокатаных полос на возникновение дефектов планшетности. Черные металлы. 2022;(3):56–59.Shalaevskii D.L., Korepina K.P. Influence of cross profile of cold rolled strips on occurrence of flatness defects. Chernye metally. 2022;(3):56–59. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.