Investigation of the distribution of normal contact stresses in deformation zone during hot rolling of strips made of structural low-alloy steels to increase the resistance of working rolls

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. During the operation of the working rolls of the finishing groups of continuous wide-strip hot rolling mills, normal contact stresses have a decisive influence on its resistance and strength, especially when rolling a range of low-alloy structural steels with a minimum thickness range of 5.5–2.0 mm, which does not correspond to the passport characteristics of such mills. The subject of the study. Previously performed studies of the stress-strain state of the rolled strip in the deformation zones make it possible to estimate the level of normal contact stresses acting on the working rolls during hot rolling of strips of low-carbon steels. The paper discusses the results of the study of the stressed state of strips of low-alloy structural steels in contact with rolls, taking into account the features of the chemical composition of the metal and changes in its elastic properties during deformation at hot rolling temperatures. The results obtained are applicable to the evaluation of the contact strength of the finishing rolls of the rolling mill. The purpose of the work is to investigate the distribution of normal contact stresses in the deformation zones during hot rolling of strips of low-alloy structural steels to ensure high resistance of the working rolls. Material and methods. The study is based on the elastic-plastic model and equations for calculating normal contact stresses for each section of the deformation zone. The specificity of variation of Young's modulus (modulus of elasticity) of low-alloyed structural steels in accordance with certain hot rolling temperatures is studied in detail, and the contact strength of high-chromium cast iron work rolls is evaluated. Results and discussion. A reliable regression equation is obtained for determining the values of the Young’;s modulus of the rolled strip as a function of changing hot rolling temperatures. The results of a numerical experiment are presented in the form of calculating the maximum normal contact stresses using the elastic-plastic model of the deformation zone and assessing the contact strength of the work rolls based on actual rolling conditions on an operating mill. New improved technological modes of hot rolling of low-alloy structural steels (0.1 C-Cr-Si-Ni-Cu, 0.18 C-Cr-Mn-Ti and 0.14 C-2 Mn-N-V) are proposed, which make it possible to reduce the maximum contact stresses and increase the resistance of the working rolls.

About the authors

I. D. Pospelov

Email: idpospelov@chsu.ru
ORCID iD: 0009-0000-5974-5718
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Cherepovets State University, 5 Lunacharskogo pr., Cherepovets, 162600, Russian Federation, idpospelov@chsu.ru

References

  1. Гостев К.А. Оптимизация прокатных валков в целях снижения совокупной стоимости владения // Сталь. – 2021. – № 10. – С. 19–24.
  2. Simulation of thermal stress and fatigue life prediction of high speed steel work roll during hot rolling considering the initial residual stress / K. Hu, F. Zhu, J. Chen, N.-A. Noda, W. Han, Y. Sano // Metals. – 2019. – Vol. 9 (9). – P. 966. – doi: 10.3390/met9090966.
  3. The influence of rolling mill process parameters on roll thermal fatigue / F. Weidlich, A.P.V. Braga, L.G. da Silva Lima, G. Boccalini, R.M. Souza // International Journal of Advanced Manufacturing Technologies. – 2019. – Vol. 102. – P. 2159–2171. – doi: 10.1007/s00170-019-03293-1.
  4. Evolution of microstructure, temperature and stress in a high speed steel work roll during hot rolling experiment and modeling / G.Y. Deng, Q. Zhu, A.K. Tieu, H.T. Zhu, M. Reid, A.A. Saleh, L.H. Su, T.D. Ta, J. Zhang, C. Lu // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 240. – P. 200–208. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.025.
  5. Kiss I., Pinca Bretotean С., Josan А. Experimental research upon the durability in exploitation of the Adamite type rolls // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 393 (1). – P. 012090. – doi: 10.1088/1757-899X/393/1/012090.
  6. Modelling surface thermal damage to mill rolls / R. Mercado-Solis, J. Talamantes-Silva, J. Beynon, M. Hernandes-Rodrigues // Wear. – 2007. – Vol. 263 (17–20). – P. 1560–1567. – doi: 10.1016/j.wear.2006.12.062.
  7. Experimental study of heat transfer in hot rolling / P. Kotrbacek, J. Horsky, M. Raudensky, M. Pohanka // Revue de Métallurgie. – 2006. – Vol. 103 (7). – P. 333–341. – doi: 10.1051/metal:2006134.
  8. Pinca-Bretotean C., Josan A., Kumar Sharma A. Influence of thermal stresses on the phenomenon of thermal fatigue of rolling cylinders // Journal of Physics: Conference Series. – 2023. – Vol. 2540 (1). – P. 012023. – doi: 10.1088/1742-6596/2540/1/012023.
  9. Analytical modeling of thermo-mechanically induced residual stresses of work rolls during hot rolling / M. Dünckelmeyer, C. Krempaszky, E. Werner, G. Hein, K. Schörkhuber // Steel Research International. – 2010. – Vol. 81. – P. 86–89.
  10. Гарбер Э.А., Кожевникова И.А. Сопоставительный анализ напряжённо-деформированного состояния металла и энергосиловых параметров процессов горячей и холодной прокатки тонких широких полос // Производство проката. – 2008. – № 1. – С. 10–15.
  11. Effect of sliding and rolling friction on the energy-force parameters during hot rolling in four-high stands / E.A. Garber, I.A. Kozhevnikova, P.A. Tarasov, A.I. Traino // Russian Metallurgy (Metally). – 2007. – Vol. 2007 (6). – P. 484–491. – doi: 10.1134/S0036029507060080.
  12. Simulation of contact stresses and forces during hot rolling of thin wide strips with allowance for a stick zone and elastic regions in the deformation zone / E.A. Garber, I.A. Kozhevnikova, P.A. Tarasov, A.A. Zavrazhnov, A.I. Traino // Russian Metallurgy (Metally). – 2007. – Vol. 2007 (2). – P. 112–119. – doi: 10.1134/S003602950702005X.
  13. Гарбер Э.А., Поспелов И.Д., Кожевникова И.А. Влияние химического состава и упругих свойств полосы и валков на энергосиловые параметры широкополосных станов горячей прокатки // Производство проката. – 2011. – № 8. – С. 2–7.
  14. Pospelov I.D., Nechaev R.R. Improving the methodology for calculating the finishing group power of a continuous wide-strip hot rolling mill // Steel in Translation. – 2024. – Vol. 54 (2). – P. 151–156. – doi: 10.3103/S0967091224700396.
  15. Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. А.С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2001. – 672 с. – ISBN 5-217-02992-7.
  16. Горский А.И., Иванов-Эмин Е.Б., Кореновский А.И. Определение допускаемых напряжений при расчетах на прочность. – М.: НИИМаш, 1974. – 79 с.
  17. Лекомт-Бекерс Ж., Терзиев Л., Брайер Ж.-П. Эксплуатационные свойства прокатных валков из графитового хромистого чугуна // Сталь. – 2000. – № 1. – С. 46–50.
  18. Ермушин Д.Е., Болобанова Н.Л. Исследование поверхностного деформационного упрочнения бочки опорных валков чистовой группы широкополосного стана горячей прокатки // Черные металлы. – 2023. – № 2. – С. 27–32. – doi: 10.17580/chm.2023.02.04.
  19. Simulation of the longitudinal thickness deviation of the steel strips hot rolled in the continuous group of a broad-strip mill / E.A. Garber, I.D. Pospelov, A.I. Traino, A.F. Savinykh, N.Yu. Nikolaev, P.A. Mishnev // Russian Metallurgy (Metally). – 2012. – Vol. 2012 (9). – P. 831–836. – doi: 10.1134/S0036029512090042.
  20. Оптимизация режима горячей прокатки стальных полос на широкополосном стане по критерию «минимум продольной разнотолщинности» / Э.А. Гарбер, И.Д. Поспелов, А.Ф. Савиных, Н.Ю. Николаев, П.А. Мишнев // Производство проката. – 2012. – № 5. – С. 15–21.
  21. Failure analysis of work rolls of a thin hot strip mill / P. Palit, H.R. Jugade, A.K. Jha, S. Das, G. Mukhopadhyay // Case Studies in Engineering Failure Analysis. – 2015. – Vol. 3. – P. 39–45. – doi: 10.1016/j.csefa.2015.01.001.
  22. Setiawan R., Siradj E., Iman F. Failure analysis of ICDP work roll of hot strip mill: case study of shell-core interface spalling // Jurnal Pendidikan Teknologi Kejuruan. – 2022. – Vol. 5 (1). – P. 28–34. – doi: 10.24036/jptk.v5i1.27023.
  23. Investigation of the initial residual stress effects on a work roll maximum in-service stress in hot rolling process by a semi-analytical method / B. Salehebrahimnejad, A. Doniavi, M. Moradi, M. Shahbaz // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 99 (9). – P. 53–64. – doi: 10.1016/j.jmapro.2023.04.084.
  24. Повышение эффективности охлаждения валков широкополосного стана горячей прокатки с использованием адаптивных математических моделей теплового баланса / Э.А. Гарбер, М.В. Хлопотин, Е.С. Попов, А.Ф. Савиных, А.В. Голованов // Производство проката. – 2009. – № 4. – С. 12–24.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».