Станы бесслитковой прокатки

Несмотря на то, что мысль о бесслитковой прокатке была выска­зана еще Бессемером [29], сконструировавшим первый стан (1857 г.), \совершенствованный впоследствии Нордтоном и Ходчсоном (1889 г.), промышленное освоение этого процесса впервые осуществлено в 1935 г. на стане фирмы Хазелет (США).

На ряде американских заводов, кроме бесслитковой прокатки цветных металлов (алюминия, латуни, меди и т. д.), в последнее время ведется большая работа по промышленному освоению бесслитковой прокатки стали [30].

Заманчивость идеи и явные преимущества способа бесслитковой прокатки сказались в появлении большого количества патентов, заре­гистрированных в отдельных странах на различного типа станы бес­слитковой прокатки, частично освоенные уже промышленностью.

Эти установки можно разделить: 1) по назначению (выпускающие готовую продукцию, выпускающие полуфабрикат); 2) по сущности процесса (литье, прокатка с обжатием); 3) по принципу работы (прокатка на валках, конвейерных лентах, ступенчатая); 4) по устройству и кон­структивным особенностям основных агрегатов (устройство клетей, по­ложение и количество валков, наличие вспомогательных приспособле­ний).

К группе установок, выпускающих готовую продукцию, следует от­нести установки Хазелет и Эльдред; к группе установок, выпускающих полуфабрикат, — установку Юнгганс [32].

Способ Хазелет (фиг. 55, а) заключается в следующем: из электрической печи металл в жидком состоянии поступает по жолобу в распределитель, затем на рабочие валки (один из них имеет бурты), обильно охлаждаемые водой.

Несмотря на трудности, связанные с затвердеванием металла на фланцах валков (трудности охлаждения), с сегрегацией сплавов и с окислением металла, по способу Хазелет в США получают в промышленном масштабе полосовой алюминий, свинец, медь, латунь, штрипсы из стали с весьма чистой кромкой; опробована даже прокатка медных труб длиной до 7000 мм при толщине стенки до 10 мм. Однако но утверж­дению Е. К. Моот [32] многие американские фирмы, в том числе и фирма Сковиль, прекратили опыты бесслитковой прокатки по способу Хазелет.

Способ Эльдреда опробован в США фирмами Сковиль, Бриджпор Брасс и др. Эти фирмы дали положительные отзывы относительно качества прокатанных бесслит­ковым способом медных прутков; прутки получались свободными от газов и кисло­родных включений.

На фиг. 55, б показана печь для плавки жидкого металла, имеющая в поддоне специальные формообразующие камеры. Ниже этих камер расположены камеры, протяжки и охлаждения, в которых с определенной скоростью циркулирует вода; дальнейшее охлаждение осуществляется водяными брызгалами, после чего отвердев­ший металл поступает на валки.

К бесслитковой прокатке следует также отнести прокатку по методу Коолхаса, запатентованному в Англии, но еще не освоенному промышленностью. По этому методу металл при помощи качающегося ковша с направляющим жолобом заливается в кольцеобразный жолоб горизонтального стола (фиг. 55, в), вращающегося вокруг слегка наклоненной оси и покрытого крышкой, защищающей от воздуха и образую­щей канал для приемки металла.

Фиг. 55. Различные способы бесслитковой прокатки:

а — способ Хазелета: 1 — электропечь; 2 — жолоб; 3 — распределитель металла; 4 — подача газа;

5 — осушители; 6 — подача воды;

б — способ Эльдреда: 1 — жидкий металл; 2 — формообразующие камеры; 3 — ох­лаждающая катушка;

4 — металлический пруток;

в — способ Коолхаса: 1 — круговой жолоб; 2 — ввод металла; 3 — затвердевшая полоса;

4 — резервуар с охлаждающей жидкостью; 5 — натяжные валки;

г — способ ступенчатой прокатки Грдина-Фролова: 1—металлоприемник; 2— жо­лоб; 3 — проводки;

д — ленточный способ Грдина-Фролова: 1 —металлоприемник; 2 — гибкие сталь­ные ленты;

3 — направляющие ролики; 4 — труба для охлаждающей воды; 5 — распылители охлаждающей воды; 6 — прокатные валки.

По способу Юнгганса, опробованному в настоящее время в США, жидкий металл проходит сквозь охлаждаемую водой изложницу, затем, отвердевая, обжимается по способу, идентичному со способом Эльдреда, с той лишь разницей, что изложница совершает цикличные движения сначала в направлении вытяжки, затем быстро в обратном направлении. По этому способу можно получить трубу любой длины.

Кроме перечисленных, необходимо отметить еще способ Эванса, по которому металл заливается в специальную форму так, чтобы получить на оправке заготовку, которая вытягивается в трубу непосредственно из формы, и способ Вальтона, напо­минающий способ Хазелета, но отличающийся от него применением волнистых валков. Первый из них запатентован в 1931 г., второй — в 1936 г. (Англия).

По принципу работы различают бесслитковую прокатку: 1) на валках, 2) на конвейерных лентах и 3) ступенчатую.

Наиболее глубоко разработан теоретически и освоен в промышленности СССР валковый способ прокатки [33].

Трудность получения крупных профилей при бесслитковой прокат­ке валковым способом привела к появлению способа ступенчатой про­катки Ю. Грдина и Е. Фролова (запатентован в 1937 г., авторское сви­детельство № 47413). Этот способ заключается в активном отводе теп­ла не только с поверхности, но и из сердцевины полосы. Последнее осуществляется частичным (диференцированным) охлаждением сравни­тельно тонкого слоя на первой паре валков с последующим наслаива­нием (наваркой) на него определенного слоя металла на следующих парах валков.

Установка для ступенчатой прокатки состоит из трех пар валков диаметром 310 мм, расположенных последовательно в вертикальной плоскости (фиг. 55, г). В каждой паре валков выточены калибры квадратного сечения, размеры которых после­довательно увеличиваются на определенную величину (10 мм). Валки приводятся в движение от мотора через цепные передачи. Водяное охлаждение валков (пусто­телых) внутреннее. Над каждой парой валков установлены металлоприемники 1, внутренние стенки которых покрыты футеровкой, и желоба 2, по которым металл подается из ковшей.

По выходе из валков первой пары направление полосы в середину калибра следующей пары осуществляется при помощи проводок 3. Перед входом во второй, а также третий калибр полоса проходит сначала в металлоприемнике через слой жидкого металла, затем поступает в калибр, где и образуется новый слой однородого металла.

Большой интерес представляет также ленточный способ бесслитко­вой прокатки, ряд установок которого запатентован отдельными авто­рами в различных странах. По этому способу прокатка производится между конвейерными лентами, охлаждающими жидкий металл и образующими непрерывно движущуюся форму.

При горизонтальном расположении лент [341 вдоль полосы образуются усадочные полости, сконцентрированные в верхней части полосы. При наклонном расположении ленты это сказывается в меньшей степени. При вертикальном расположении ленты ликвирующие элементы сосредоточиваются в центральной ее части.

С целью устранения указанных недостатков Ю. Грдина и Е. Фро­лов сконструировали установку для бесслитковой прокатки [33], изо­браженную на фиг. 55, д, и состоящую из металлоприемника 1, четы­рех гибких стальных лент 2, направляющих роликов 3, труб с охлаж­даемой водой 4, распылителей охлаждаемой воды 5 и прокатных вал­ков 6.

Расчеты, проведенные Ю. Грдина и Е. Фроловым по исследованиям Дюпюи, подтверждают необоснованность опасений обрыва полосы при вертикальном положении лент, так как прочность остывшей корки достаточна, чтобы выдержать нагрузку как от собственного веса полосы, так и от ферростатического давления жидкой (внутренней) зоны полосы [35].

Из рассмотренных выше способов наиболее распространенным, лучше освоенным и, пожалуй, имеющим наиболее широкую перспекти­ву развития следует считать валковый способ.

По этому принципу устроен стан Хазелета и станы других загра­ничных фирм; по этому же способу сконструированы лучшие установки бесслитковой прокатки СССР.

Устройство стана Хазелета [29] показано на фиг. 56. Его основное оборудование состоит из одной рабочей линии (фиг. 56, а и б) и аппарата для намотки ленты (фиг. 56, в).

В рабочую линию входят: рабочая и шестеренная клети, два шпин­деля между ними, два редуктора для большего снижения скорости и эластичные муфты между мотором и редуктором и между редукто­рами.

Рабочая клеть имеет U-образную станину, два валка, расположенные в горизонтальной плоскости, нажимное устройство, состоящее из двух червячных и одного геликоидального редуктора.

Полная редукция нажимного устройства равна 1700: 1.

Каждый из валков снабжен очищающим механизмом с закаленным наконечником.

Охлаждение производится водяной струей. Регулирование подачи воды осуществляется с поста управления через клапан, приводимый в действие сжатым воздухом.

Редукторы установлены двух типов. Первый редуктор — состоит из цилиндрической передачи с шевронными зубьями, с автоматической системой смазки. Второй редуктор 200: 1 — закрытого типа.

Намоточное устройство представляет собой барабан диаметром 1000 мм, с принудительным зажимным приспособлением и пневматиче­ским приспособлением для снятия мотка ленты. Намоточное устройст­во приводится в движение от мотора мощностью в 15 л. с., синхрони­зированного с мотором рабочей клети с целью получения во время ра­боты постоянного напряжения ленты независимо от скорости рабочей клети или размера мотка, находящегося на барабане.

Мотор главного привода постоянного тока, его мощность 450 л. с., число оборотов в 1 мин. 400—800.

Все управление станом централизовано в одном пульте, обслуживаемом двумя операторами. Первый из них управляет пуском, реверсированием и остановкой мотора рабочей клети. Второй управляет водяным охлаждением, сигнальным пневматическим прибором, а также выключателями, регистрирующими работу центральной смазочной системы.

Стан имеет две отдельные смазочные системы. Первая служит для смазки подшипников рабочей клети и нажимных винтов, вторая обслуживает второй редук­тор, шестеренную клеть и привод нажимного устройства.

Фиг. 56. Общий вид стана бесслитковой прокатки фирмы Хазелет: а — вид сбоку; б — вид сверху:

1 — рабочая клеть; 2 — шестеренная клеть; 3 — редуктор обыкновенного типа; 4 — редуктор снижения скорости; 5 — муфта; 6 — мотор

Бесслитковая прокатка обладает большими экономическими преи­муществами (экономия топлива, металла, энергии и т. д.) по сравне­нию с другими способами прокатки, устраняет целый ряд технологиче­ских операций и обслуживающее их оборудование (разливочные сред­ства, нагревательные устройства, складское помещение для слитков, за­готовок, мощные обжимные станы и пр.). По своей природе бесслитко­вая прокатка является процессом непрерывным; применение которого в металлургии тем выгоднее, чем длиннее путь процесса обычной про­катки и, чем больше стадий обработки включает этот процесс.

Фиг. 56, в. Вид рабочей клети и намоточного устройства стана бесслитковой прокатки фирмы Хазелет

Разнородность взглядов на этот процесс у отдельных авторов и не­достаточное освоение его привели к тому, что некоторые под бесслит­ковой прокаткой начали подразумевать бесслитковое литье, другие— литье с незначительным обжатием (получение заготовки), а третьи—получение готовой продукции.

Все эти способы находятся еще в стадии экспериментирования и соответствуют тому или иному этапу развития простого по идее эко­номически выгодного процесса, но технологически еще недостаточно освоенного.

Сравнивая стан Бессемера (1857 г.), Нортона и Ходчсона (1889 г.) со станом Хазелета, обладающего более современным оборудованием (нажимные устройства, редукторы, натяжное приспособление и пр.), необходимо отметить, что идея непрерывности процесса бесслитковой прокатки, открытая Бессемером [30], остается пока непревзойденной. Если стан Хазелета имеет одну пару валков (фиг. 57, а), стан Нортона и Ходчсона две пары (фиг. 57, б), то стан Бессемера имеет три пары (фиг. 57, в).

Первая промышленная установка бесслитковой прокатки стали (фиг. 58) пущена в США еще в 1935 г. [39]. Она была запроектирова­на непрерывной, как показано на фиг. 58, в действительности же смон­тировали вначале только клеть стана бесслитковой прокатки, осталь­ные агрегаты предполагали установить по мере освоения процесса.

Ввиду решающей зависимости теплоотдачи от величины периметра сечения полосы при бесслитковой прокатке крупных профилей валковым способом, остановим свое внимание на тонких и широких листах.

Теоретические соображения и практика наших и американских установок дают основание предполагать, что по условиям теплового режима наиболее желательной при бесслитковой прокатке является толщина листов в 2—10 мм, причем в указанных пределах более толстые листы могут дать не большую, а меньшую производительности значительно меньшей скорости прокатки толстых листов. Поэтому при одной паре валков, пожалуй, целесообразно прокатывать лист толщиной 4—5 мм.

Фиг. 58. Американская схема установки непрерывной бесслитковой прокатки:

1 - главные валки; 2 - восстановительная камера; 3 - стан холодной прокатки; 4 – нормализационная печь;

5 - травильная ванна; 6 - промывочная анна, 7 - правильная машина; 8 -ножницы; 9 - штамповочный пресс

На основе литературных данных последнего периода [36, 37], сведений, извест­ных из истории развития металлургии XIX в. [381, данных американских фирм [391 и личных теоретических предположений автора [30] классификацию непрерывной бесслитковой прокатки листов, имеющей широчайшую перспективу развития в социа­листической промышленности, можно представить в следующем виде: 1) непрерыв­ная горячая прокатка, 2) непрерывная горячая и холодная прокатка, 3) непрерывная горячая, холодная прокатка и дрессировка.

Только при непрерывной бесслитковой прокатке можно добиться максимально возможной (многократной) вытяжки. Поэтому стремление отвести побольше тепла путем охлаждения должно увязываться с использованием этого тепла для максималь­ных обжатий, обеспечивающих получение мелкозернистой структуры металла. В силу этого вместо обычной бесслитковой прокатки (фиг. 59, I а) на станах с одной парой валков (главной) целесообразно применять непрерывную, горячую прокатку с двумя (фиг. 59, I б) или тремя парами валков (фиг. 59, I в). В первом случае (одна пара) можно получить листы толщиной свыше 3 мм, во втором (при двух, трех парах) — листы толщиной 1,5—3 мм. Что рациональнее — установить 2—3 пары валков, вклю­чая и главную в одном агрегате, или установить их раздельно, — вопрос, требующий специального изучения. Однако безусловно важно, чтобы эти пары валков могли обжимать полосу, а не служить лишь выглаживающими и направляющими, как это предусматривалось еще Нортоном и Бессемером.

Для производства листов толщиной свыше 1,5 мм можно применить схему по фиг. 59, II а с непрерывной горячей (главная пара) и холодной (трио) прокаткой. Для производства листов толщиной в 1—1,5 мм более выгодное решение дает схема п'о фиг. 59, II б с горячей прокаткой в два пропуска (непрерывная) и холодной в один пропуск (кварто), создающими вместе непрерывный процесс. При производстве листов толщиной меньше 1 мм (в пределах 0,1—1 мм) еще лучшим решением следует считать прокатку по схеме фиг. 59, II в с непрерывной горячей (три про­пуска) и непрерывной холодной прокаткой (два-пять пропусков); общий процесс также непрерывный.

Для получения весьма точных по толщине листов, кроме непрерывной горячей (три пропуска) и холодной (два-пять пропусков) прокаток, необходима еще дресси­ровка (фиг. 59, III а) в клетях дуо, кварто или шестивалковых. Дрессировке пред­шествует отжиг, а холодной прокатке — непрерывное охлаждение полосы.

Для прокатки фольги (0,01—0,1 мм) можно рекомендовать схему, представлен­ную на фиг. 59, III б, где кроме непрерывной горячей представлены две группы непрерывной холодной прокатки.

Вместо травления, очищающего материал от окалины, могут быть применены восстановительные- камеры с нейтральным газом.

Тщательная разработка метода и режима обжатий, применение лупперов для натяжения полосы с образованием петли, установка регулируемых моторов, конт­рольно-измерительной аппаратуры и электрической связи между смежными операци­ями — позволят в короткое время освоить самый сложный процесс прокатного производства.