Херсонский технический университет, Геническ, Россия¹ ; Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, Магнитогорск, Россия²

Р. Р. Дема, профессор кафедры машиностроения факультета инженерии и транспорта¹, доцент кафедры машин и технологий обработки давлением Института металлургии, машиностроения и материалообработки², докт. техн. наук, доцент, эл. почта: demar78@mail.ru
Р. Н. Амиров, профессор кафедры машиностроения факультета инженерии и транспорта¹, доцент кафедры машин и технологий обработки давлением Института металлургии, машиностроения и материалообработки², канд. техн. наук, доцент, эл. почта: Ruslan2246@mail.ru

Херсонский технический университет, Геническ, Россия
Е. Э. Бергер, зав. кафедрой машиностроения факультета инженерии и транспорта, эл. почта: berger.61@mail.ru

Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, Магнитогорск, Россия
А. В. Колдин, доцент кафедры физики Института естествознания и стандартизации, канд. техн. наук, эл. почта: koldin_av@mail.ru
Е. А. Плотников, аспирант кафедры машин и технологий обработки давлением Института металлургии, машиностроения и материалообработки, эл. почта: plotnikov.ea@mmk.ru
Е. В. Шурандин, аспирант кафедры машин и технологий обработки давлением Института металлургии, машиностроения и материалообработки, эл. почта: shurandin.ev@mmk.ru

В последнее время совершенствованию систем охлаждения листовых станов уделяют большое внимание. Опыт показывает, что неправильная организация теплового режима охлаждения валка может привести к весьма нежелательным последствиям, вплоть до его поломки. Недостаточное количество охладителя или неправильная его подача вызывают перегрев валка, искажение теплового профиля, образование трещин разгара. Поэтому совершенствование системы охлаждения рабочих валков является актуальной задачей для металлургических предприятий. Для исследования теплового состояния валков стана 2000 горячей прокатки разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать среднеинтегральную температуру поверхности и нестационарное двухмерное температурное поле валка. Результаты расчетов показали, что средняя температура по длине и глубине бочки валка находится на уровне 75–80 °С, при этом градиент перепада температур составляет 140 °С, что отрицательно сказывается на температурных условиях работы валка. Выполнен анализ работы валков в условиях действующего производства стана. По результатам проведенных замеров показано, что температура рабочих валков превышает допустимую на 5–13 °С, а также показано, что существует существенный перепад температур у краев и в центре бочки валка, который составляет 25–38 °С, что приводит к искажению теплового профиля валка и повышению уровня термонапряжений в контактном слое. На основе расчетов предложены технические решения: изменение геометрии установки коллекторов и замена спрейеров на плоскофакельные форсунки. Внедрение усовершенствованной конструкции системы охлаждения на клетях № 4–6 стана 2000 горячей прокатки позволило снизить температуру рабочих валков на 6–10 °С, уменьшить перепад температур по длине бочки от 38 до 18–25 °С, сохранить тепловой профиль и понизить термонапряжения в контактном слое. Испытания подтвердили отсутствие дефектов поверхности валков, что свидетельствует о повышении их эксплуатационной стойкости и эффективности предложенных решений.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-79-31018, https://rscf.ru/project/25-79-31018/.

1. Тахаутдинов Р. С., Салганик В. М., Фиркович А. Ю., Куц В. А., Гостев А. А., Гунн Г. С., Вдовин К. Н. Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии. Т.2. Эксплуатация прокатных валков. – Магнитогорск : МГТУ, 1999. – 174 с.
2. Гарбер Э. А., Гончарский А. А., Шаравин М. П. Технический прогресс систем охлаждения прокатных станов. – М. : Металлургия, 1991. – 256 с.
3. Abbaspour M., Saboonchi A. Work roll thermal expansion control in hot strip mill // Applied Mathematical Modelling. 2008. Vol. 32(12). P. 2652–2669.
4. Alaei H., Salimi M., Nourani A. Online prediction of work roll thermal expansion in a hot rolling process by a neural network // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 85. P. 1769–1777.
5. Салганик В. М., Чикишев Д. Н., Денисов С. В., Полецков П. П., Румянцев М. И., Куницын Г. А. Развитие теории и технологии инновационных процессов прокатного производства // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 48–51
6. Shalaevskii D. L. Investigation of thermal mode of hot-rolling mill working rolls in order to improve the accuracy of calculating the thermal profile of their barrels’ surface. Izvestiya // Ferrous Metallurgy. 2023. Vol. 66, Iss. 3. P. 283–289. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-3-283-289
7. Колдин А. В., Латыпов О. Р., Амиров Р. Н., Шурандин Е. В. Определение параметров струйного охлаждения полосы на широкополосном стане горячей прокатки // Черные металлы. 2025. № 6. С. 29–34.
8. Колдин А. В., Терентьев Д. В., Дема Р. Р., Латыпов О. Р. Моделирование тепловых процессов при широкополосной горячей прокатке // Черные металлы. 2024. № 3. С. 40–46.
9. Koldin A. V., Amirov R. N., Latypov O. R. Study of heat transfer in jet cooling of steel surface using numerical simulation // IEEE. 2025. P. 826–830. DOI: 10.1109/ICIEAM65163.2025.11028568
10. Зинягин А. Г., Мунтин А. В., Ильинский В. И., Никитин Г. С. Математическое моделирование процесса ускоренного охлаждения листа на стане-5000 // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. № 1. С. 9-15.
11. Wu H., Sun J., Lu X., Peng W., Wang Q., Zhang D. Predicting stress and flatness in hot-rolled strips during run-out table cooling // Journal of Manufacturing Processes. 2022. Vol. 84. P. 815–831. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.10.053
12. Wang J., Li X., Yi K., Elmi S. A. Research on the temperature and thermal stress of the roll quenching process of thin plates // Metals. 2024. Vol. 14. 83. DOI: 10.3390/met14010083
13. Wang J., Chang J., Zhang M., Li W., Peng Y. Analysis of fatigue damage of hot rolling work rolls coupled with wear effect // Journal of Manufacturing Processes. 2024. Vol. 131, Iss. 12. P. 1423–1436. DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.09.119
14. Hwang R., Jo H., Kim K. S., Hwang H. J. Hybrid model of mathematical and neural network formulations for rolling force and temperature prediction in hot rolling processes // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 153123–153133. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3016725
15. Muntin A. V., Sevidov A. E., Tikhonov S. M. et al. Analysis of the specific features of wear of the working rolls of the finishing group of stands under conditions of the 1950 mill at the casting-rolling complex of the “VMZ” JSC // Metallurgist. 2021. Vol. 65, No. 3-4. P. 305–313. DOI: 10.1007/s11015-021-01158-1
16. Muntin A. V., Zhikharev P. Yu., Ziniagin A. G., Brayko D. A. Аrtificial intelligence and machine learning in metallurgy. Part 1. Methods and algorithms // Metallurgist. 2023. Vol. 67, No. 5-6. P. 886–894. DOI: 10.1007/s11015-023-01576-3
17. Zhikharev P. Yu., Muntin A. V., Brayko D. A., Kryuchkova M. O. Artificial intelligence and machine learning in metallurgy. Part 2. Application examples // Metallurgist. 2024. Vol. 67, No. 9-10. P. 1545–1560. DOI: 10.1007/s11015-024-01648-y
18. Muntin A. V., Shamshin M. N., Ziniagin A. G. et al. Digitalization as the most important tool for the improvement of metallurgical technologies // Metallurgist. 2023. Vol. 66, No. 9-10. P. 1051–1067. DOI: 10.1007/s11015-023-01418-2
19. Севидов А. Е., Мунтин А. В., Колесников А. Г. Моделирование механического износа рабочих валков широкополосного стана горячей прокатки методами машинного обучения // Черные металлы. 2022. № 11. С. 22–27.
20. Zinyagin A. G., Muntin A. V., Borisenko N. R., Stepanov A. P., Kryuchkova M. O. A FEM-ML hybrid framework for optimizing the cooling schedules of roll-bonded clad plates // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2026. Vol. 10. 49. DOI: 10.3390/jmmp10020049
21. Приходько И. Ю., Воробей С. А., Шатохин С. Е. Моделирование процессов эффективного охлаждения валков листопрокатных станов // Сталь. 2005. № 11. С. 72–77.
22. Капланов В. И., Петренко А. С., Сухоруков И. С. Некоторые вопросы к проблеме охлаждения прокатных валков // Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2010. № 20. С. 94–97.
23. Астахов А. А., Мазур И. П. Разработка модели для исследования теплового состояния рабочих валков станов горячей прокатки // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. № 11-2. С. 83–86.
24. Воробей С. А., Приходько И. Ю. Моделирование температурного режима рабочих валков широкополосного стана горячей прокатки // Научные новости. Современные проблемы металлургии. Пластическая деформация металлов. 2005. Т. 8. С. 232–235.
25. Приходько И. Ю., Чернов П. П., Шатохин С. Е. Управление тепловым профилем валков и плоскостностью полос селективной подачей эмульсии // Сталь. 2006. № 11. С. 87–93.
26. Платов С. И., Дема Р. Р., Лукьянов С. И. Разработка и внедрение технологии охлаждения прокатных валков с целью повышения их эксплуатационных характеристик на широкополосном стане 2000 ОАО «ММК» // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2012. № 2 (38). С. 100–101.
27. Saboonchi A., Abbaspour M. Changing the geometry of water spray on milling work roll and its effect on work roll temperature // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 148, Iss. 1. P. 35–49.