2015-06-05
2084
Прокатка металлов
§ 1. Сущность способа прокатки
Сущность прокатки заключается в пластическом деформировании металла при пропускании его между вращающимися валками. При этом зазор между валками должен быть меньше толщины обрабатываемой заготовки.
При обычной прокатке толщина заготовки уменьшается, а ширина и длина увеличиваются, т. е. происходит обжатие, уширение и вытяжка.
При прокатке металл захватывается и обжимается двумя вращающимися валками. Металл вытягивается в щель между валками благодаря силам трения, которые возникают на поверхности соприкосновения металла с валками под влиянием давления. При этом металл подвергается деформации на участке контакта с валками.
Исходной заготовкой при прокатывании стали являются слитки весом до 25 т. Форма поперечного сечения прокатанной продукции называется ее профилем. Перечень различных профилей всевозможных размеров принято называть сортаментом.
Продукция стального проката делится на следующие основные группы: сортовой, листовой, трубный, специальный и периодический прокат.
Профили сортового проката делятся на 2 группы:
1. простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, восьмигранник, полоса, треугольник и др.);
2. фасонные профили, которые в свою очередь делятся на профили общего назначения и профили специального назначения.
Специальные профили изготовляются для сельхозмашиностроения, судостроения, вагоно- и тракторостроения, строительства и т. д.
Листовой прокат делится на: толстолистовой – с толщиной листа 4―60 мм, а в особых случаях до 500 мм и выше и тонколистовой – с толщиной листа менее 4 мм. К тонколистовой стали относится оцинкованная сталь, всевозможная жесть, лента.
Трубный стальной прокат делится на бесшовные трубы с наружным диаметром от 5 до 426 мм при толщине стенок 0,5―40 мм и трубы сварные с наружным диаметром до 1420 мм при толщине стенок до 14 мм.
Специальный стальной прокат включает в себя продукцию законченной формы, например венцы зубчатых колес, бандажи железнодорожных колес, шарики для шарикоподшипниковой промышленности.
Периодический прокат – прокат, поперечное сечение которого по длине периодически меняется, например, заготовка вагонной оси, полуоси для автомобилей. Периодический прокат находит широкое применение в виде заготовок под окончательную механическую обработку.
Продукция проката составляет более 75% всей выплавляемой стали. Большое количество цветных металлов и сплавов подвергается прокатке. Продукция проката используется непосредственно в конструкциях, а также в виде заготовок для изготовления деталей в механических и кузнечно-штамповых цехах.
§ 2. Инструмент и оборудование для прокатки
Инструментом прокатки являются валки, с помощью которых обрабатываются слитки и другие заготовки. Валки бывают:
1. гладкие для проката листов, лент;
2. ступенчатые для прокатки полосовой стали;
3. ручьевые для получения сортового проката.
Профиль выреза на боковой поверхности валка называется ручьем. Ручей верхнего и нижнего валков в совокупности образуют калибр.
На каждой паре валков размещают несколько калибров, форма которых зависит от прокатываемого профиля. Сложные профили проката получают последовательными пропусками металла через серию калибров. Для рельсов число калибров 9, для балок от 9 до 13, для проволоки – от 15 до19.
В зависимости от стадии прокатки различают калибры обжимные ( уменьшающие сечение заготовки), черновые (приближающие сечение заготовки к заданному профилю) и чистовые или отделочные (дающие заданный профиль).
Оборудование, на котором прокатывается металл, называется прокатным станом. Принцип работы прокатного стана следующий: прокатные валки монтируются в подшипниках, находящихся в стойках станины. Комплект валков вместе со станиной называется рабочей клетью. Рабочие валки получают вращение от двигателя через редуктор, передающий вращательное движение через шестеренную клеть и шпиндели.
К прокатному стану относятся также вспомогательные машины и механизмы, выполняющие подсобные операции по резке, отделке транспортировке прокатываемого металла.
§ 3. Классификация прокатных станов
Станы классифицируются по 3 основным признакам:
1. по назначению;
2. по числу и расположению валков в рабочих клетях;
3. по числу и расположению рабочих клетей.
По назначению станы разделяют на 2 основных типа:
1. станы для производства полупродукта;
2. станы для производства готовой продукции.
К первому типу относятся обжимные и заготовочные станы. Обжимные станы – блюминги и слябинги с диаметром валков 800―1400 мм – предназначены для прокатки слитков в заготовки крупных размеров (блюмы и слябы), которые в качестве полупродукта поступают для последующей прокатки в заготовки меньших размеров или для получения готового продукта. Заготовочные станы имеющие диаметр валков 
450―750 мм предназначены для прокатки блюмов в заготовки более мелких размеров (от 50 
50 мм до 150 150 мм), являющихся исходным материалом для дальнейшей прокатки на сортовых станах.
Ко второму типу станов относят:
1. рельсобалочные с валками диаметром 750 – 900 мм для прокатки
железнодорожных рельсов, двутавровых балок, швеллеров, уголков
крупных размеров;
2. крупносортовые с валками диаметром 500―750 мм для прокатки крупносортовой стали (квадратной и круглой от 80 до 150 мм), балок и швеллеров 120―140 мм;
3. среднесортовые с валками диаметром 350―500 мм для прокатки среднесортовой стали (квадратной и круглой 40―80 мм), балок и швеллеров высотой до 120 мм;
4. мелкосортные с валками диаметром 250―350 мм для прокатки мелких сортовых профилей (квадратной и круглой 8―40 мм), угловых профилей 20 20 до 50 50 мм;
5. проволочные станы с валками диаметром 250―300 мм для прокатки проволоки (катанки) диаметром 5―9 мм;
6. полосовые (штрипсовые) станы с валками диаметром 300―400 мм для прокатки полос шириной 65―500 мм и толщиной 1,5―10 мм;
7. толстолистовые станы для прокатки листов толщиной 4―60 мм;
8. тонколистовые горячей и холодной прокатки для листов толщиной 0,2―4 мм и шириной 500―2500 мм;
9. универсальные станы для прокатки универсальных полос шириной 200―1500 мм;
10. трубные станы для производства бесшовных и сварных труб;
11. станы специального назначения – колесо- и бандажепрокатные, шаропрокатные и т. д.
Как видно из приведенной классификации, основной характеристикой сортовых станов является диаметр рабочих или шестеренных валков. Если в стане имеется несколько клетей, то характеристикой всего стана является диаметр валков чистовой клети. Например, проволочный стан 250 означает, что диаметр рабочих или шестеренных валков чистовой клети равен 250 мм.
По числу и расположению валков в рабочих клетях станы различают:
1. дуо-станы – (двухвалковые) с двумя валками в каждой клети расположенные горизонтально один над другим в вертикальной плоскости.
Рис.
Станы дуо могут иметь постоянное направление вращения валков (нереверсивные) и переменное (реверсивное). В последнем случае валки периодически изменяют направление вращения и слиток или полоса проходит между валками вперед и назад несколько раз; оба валка обычно являются приводными. Большее распространение получили реверсивные дуо-станы: блюминги, слябинги, толстолистовые и др.
2. Трио-станы, у которых три валка расположены горизонтально один над другим в одной вертикальной плоскости. Полоса прокатывается сначала между нижним и средним валками, а затем специальным приспособлением (подъемно-качающимися столами) поднимается на уровень разъема среднего и верхнего валков и при обратном ходе прокатывается между средним и верхним валками. На трио-станах прокатываются сортовой металл и листы. Листовые трио-станы имеют средний не приводной валок несколько меньшего диаметра, чем верхний и нижний, а на сортовых - все валки одинакового диаметра.
3. кварто-станы имеют четыре валка, вертикально расположенных один над другим, два валка меньшего диаметра (средние) – рабочие, а большие (верхний и нижний) – опорные. Опорные валки воспринимают давление при прокатке и уменьшают прогиб рабочих валков. Станы кварто бывают реверсивные и нереверсивные. Они предназначены для прокатки листов и полос.
4. многовалковые станы бывают шестивалковые, двенадцативалковые, двадцативалковые и др. Эти станы имеют два рабочих валка малого диаметра, а остальные - опорные. В виду малого прогиба рабочих валков эти станы применяют для холодной прокатки тонких полос и узких лент в рулонах.
5. универсальные станы, которые имеют в одной рабочей клети вертикальные и горизонтальные валки. На этих станах металл обжимается по ширине и высоте. Универсальные станы применяют для прокатки полос называемых универсальной сталью.
Рис.
По числу и расположению рабочих клетей прокатные станы разделяют на одноклетевые и многоклетевые. Простейшим типом является одноклетевой стан. К ним относятся блюминги, слябинги, толстолистовые дуо- и трио-станы, универсальные станы.
Многоклетевые станы имеют две и более рабочие клети. Расположение клетей может быть: линейным, последовательным и непрерывным. У этих станов каждая рабочая клеть или группа из 2―4 клетей имеет линию привода валков.
Линейными станами с расположением рабочих клетей в одну линию являются рельсобалочные и крупносортные станы.
Наиболее распространенным типом современных многоклетевых станов являются непрерывные станы, у которых число рабочих клетей равно требуемому числу проходов; прокатка ведется по принципу – в каждой клети один проход. Клети расположены последовательно одна за другой так, что полоса одновременно находится в двух и более клетях. Скорость прокатки в каждой рабочей клети по мере уменьшения сечения прокатываемой полосы увеличивается, что достигается изменением числа оборотов валков при индивидуальном приводе валков каждой рабочей клети, либо изменением передаточного отношения и числа оборотов валков и диаметра рабочих валков при групповом приводе.
Непрерывные станы применяются в качестве заготовочных, сортовых, проволочных, штрипсовых (полосовых), листовых для холодной и горячей прокатки. Скорость прокатки на этих станах достигает 30―35 м/сек и более, благодаря чему непрерывные станы имеют высокую производительность.
Рис.
§ 4. Технологический процесс прокатки
Техпроцесс прокатки представляет собой комплекс последовательных термомеханических операций, выполняемых на соответствующем оборудовании стана для получения полупродукта или готовой продукции.
Наиболее общая схема техпроцесса прокатки включает следующие операции:
1. подготовка исходного материала к прокатке;
2. нагрев металла перед прокаткой;
3. собственно прокатка;
4. отделка и контроль качества проката.
При подготовке исходного материала к прокатке удаляют поверхностные дефекты: пленки, шлаковые включения на слитках, неглубокие трещины, волосовины и др. Это улучшает качество прокатанной продукции, увеличивает выход годного.
Поверхностные дефекты удаляют огневой зачисткой, обдиркой на металлорежущих станках, пневматической вырубкой, зачисткой абразивными кругами, электродуговым и др. способами.
Подготовленный исходный материал нагревают в разных нагревательных устройствах с целью уменьшения сопротивления металла деформации, улучшения его структуры и придания достаточной пластичности. Качество нагрева имеет большое значение, т. к. оно оказывает влияние на производительность стана, качество прокатываемого материала, величину брака, а также на макро- и микроструктуру металла и его механические свойства.
Нагретый металл транспортируется к стану для прокатки. Соблюдение режима обжатий и температурного интервала прокатки обеспечивает получение прокатанной продукции нужных размеров, формы и качества поверхности.
Отделка проката зависит от его вида, хим. состава металла и др. факторов. Она включает: резку, правку, охлаждение или термообработку, удаление дефектов, упаковку.
При выполнении всех операций осуществляется контроль качества поверхности металла, нагрева, формы, размеров и т. д. Готовый прокат подвергают конечному контролю.
§ 5. Основные виды прокатки
Различают следующие виды: продольная, поперечная и поперечнаявинтовая прокатка.
При продольной прокатке заготовка перемещается перпендикулярно оси валков, которые вращаются в противоположных направлениях. До 90% проката изготавливают продольным прокатыванием (листы, прутки, полосы).
При поперечной прокатке валки, которые вращаются параллельно в одном направлении, вращают заготовку, которая деформируется при принудительном перемещении ее вдоль валков.
При поперечном винтовом прокатывании валки вращаются в одну сторону, но расположены под углом друг к другу. Такое размещение валков обеспечивает появление осевого усилия, благодаря которому заготовка перемещается вдоль осей валков.
Поперечное и винтовое поперечное прокатывание применяется при изготовлении изделий с изменяющимся по длине сечением. Принцип винтового поперечного прокатывания используется также при изготовлении труб. Рис.
§ 6. Прокатка труб
Трубы прокатываются на трубопрокатных станах. Процесс прокатки бесшовных труб делится на две стадии:
1. получение пустотелой гильзы из слитка или круглого проката;
2. получение из пустотелой гильзы готовой трубы.
Пустотелые гильзы получают чаще на прошивном стане. Для труб большого диаметра полые гильзы можно получить центробежным литьем.
Прошивной стан состоит из двух рабочих косо расположенных валков. Валки вращаются в одном направлении, а заготовка – в противоположном. Для удержания заготовки между валками предусматривают специальные устройства. Рабочие валки имеют конусы прошивки и раскатки, а средние – калибровочный поясок. Между валками на пути движения получающейся полой заготовки (гильзы) устанавливается оправка. При расположении рабочих валков под некоторым углом между их осями достигается вращение заготовки относительно своей оси и одновременно поступательное ее движение, благодаря чему заготовка надвигается на оправку и прошивается.
После прошивки гильзу передают на периодический нереверсивный дуо-стан. Гильза, надетая на оправку, подается в фасонный калибр переменного сечения. В момент, когда валки образуют калибр максимального диаметра, гильза подается в валки, а затем подвергается деформированию с выдвижением ее в направлении, обратном подаче. В момент, когда калибр опять будет максимального диаметра, гильза снова подается в валки на такую длину, чтобы в дальнейшем рабочий участок калибра захватил новый не обжатый участок гильзы. Так постепенно происходит обжатие гильзы в трубу. Прямой (подача заготовки) и обратный (момент обжатия) ход чередуется поворачиванием заготовки вокруг оси.
После раскатки трубы обрабатываются на специальной машине для устранения овальности и разностенности и затем подвергаются прокатке на калибровочном стане для получения окончательных размеров.
При производстве сварных труб исходным материалом служит плоская прокатанная заготовка (штрипс) в виде полосы свернутой в рулон.
Процесс изготовления сварных труб состоит из следующих операций:
1. свертывание заготовки;
2. сварка свернутой заготовки;
3. отделка трубы.
Трубы из малоуглеродистой стали изготавливают с применением наружной сварки на непрерывном стане.
Трубная заготовка в виде рулона сначала разматывается, а затем правится на правильной машине. Передний конец заготовки отрезается ножницами и в сварочном аппарате сваривается с концом предыдущей заготовки, который предварительно был также обрезан ножницами. Дальше заготовка в виде ленты поступает в длинную (до 40 м) газовую печь. Нагретая в печи до температуры 1350º С лента направляется в непрерывный трубный стан, имеющий 6 пар валков с соответствующими калибрами, при помощи которых лента постепенно свертывается в трубу, а затем путем нажатия одной кромки на другую осуществляется сварка кромок ленты, т.е. получение трубы. Непрерывно выходящие из стана трубы разрезают пилой по 6 – 8 м и калибруют на калибровочном стане.
Применение электросварки позволяет получать трубы с более тонкой стенкой, а также трубы с повышенным содержанием углерода и даже из легированных сталей.
