Прокатка металів

§ 1. Сутність способу прокатки

Сутність прокатки полягає в пластичному деформуванні металу при пропущенні його між обертовими валками. При цьому зазор між валками повинен бути менше товщини оброблюваної заготівлі.

При звичайній прокатці товщина заготівлі зменшується, а ширина й довжина збільшуються, тобто відбувається обтиснення, розширення й витяжка.

При прокатці метал захоплюється й обжимається двома обертовими валками. Метал втягується в щілину між валками завдяки силам тертя, які виникають на поверхні зіткнення металу з валками під впливом тиску. При цьому метал піддається деформації на ділянці контакту з валками.

Вихідною заготівлею при прокатці сталі є злитки вагою до 25 т. Форма поперечного переріза прокатаної продукції називається її профілем. Перелік різних профілів усіляких розмірів прийнято називати сортаментом.

Продукція сталевого прокату ділиться на наступні основні групи: сортовий, листовий, трубний, спеціальний і періодичний прокат.

Профілі сортового прокату діляться на 2 групи:

1. простої геометричної форми (квадрат, коло, шестигранник, восьмигранник, смуга, трикутник і ін.);
2. фасонні профілі, які у свою чергу діляться на профілі загального призначення й профілі спеціального призначення.

Спеціальні профілі виготовляються для сільгоспмашинобудування, суднобудування, вагоно- і тракторобудування, будівництва й т.д.

Листовий прокат ділиться на: товстолистовий – з товщиною аркуша 4―60 мм, а в особливих випадках до 500 мм і вище й тонколистовий – з товщиною аркуша менш 4 мм. До тонколистової сталі відноситься оцинкована сталь, усіляка жерсть, стрічка.

Трубний сталевий прокат ділиться на безшовні труби із зовнішнім діаметром від 5 до       426 мм при товщині стінок 0,5―40 мм і труби зварні із зовнішнім діаметром до   1420 мм при товщині стінок до 14 мм.

Спеціальний сталевий прокат містить у собі продукцію закінченої форми, наприклад вінці зубчастих коліс, бандажі залізничних коліс, кульки для шарикопідшипникової промисловості.

Періодичний прокат – прокат, поперечний переріз якого по довжині періодично міняється, наприклад, заготівля вагонної осі, півосі для автомобілів. Періодичний прокат знаходить широке застосування у вигляді заготівель під остаточну механічну обробку.

Продукція прокату становить більше 75% всієї виплавлюваної сталі. Велика кількість кольорових металів і сплавів піддається прокатці. Продукція прокату використається безпосередньо в конструкціях, а також у вигляді заготівель для виготовлення деталей у механічних і ковальсько-штампових цехах.

§ 2. Інструмент і встаткування для прокатки

Інструментом прокатки є валки, за допомогою яких обробляються злитки й інші заготівлі. Валки бувають:

1. гладкі для прокату листів, стрічок;
2. східчасті для прокатки смугової сталі;
3. струмкові для одержання сортового прокату.

Профіль вирізу на бічній поверхні валка називається струмком. Струмок верхнього й нижнього валків у сукупності утворять калібр.

На кожній парі валків розміщають кілька калібрів, форма яких залежить від профілю, що прокочує. Складні профілі прокату одержують послідовними пропусками металу через серію калібрів. Для рейок число калібрів 9, для балок від 9 до 13, для дроту - від 15 до19.

Залежно від стадії прокатки розрізняють калібри обтискні (що зменшують перетин заготівлі), чорнові (що приближають перетин заготівлі до заданого профілю) і чистові або оздоблювальні (які дають заданий профіль).

Обладнання, на якому прокочується метал, називається прокатним станом. Принцип роботи прокатного стана наступний: прокатні валки монтуються в підшипниках, що перебувають у стійках станини. Комплект валків разом зі станиною називається робочою кліттю. Робочі валки одержують обертання від двигуна через редуктор, що передає обертовий рух через шестеренну кліть і шпинделі.

До прокатного стану відносяться також допоміжні машини й механізми, що виконують підсобні операції по різанню, обробці, транспортуванню металу, який прокатують.

§ 3. Класифікація прокатних станів

Стани класифікуються по 3 основним ознакам:

1. за призначенням;
2. за числом й розташуванням валків у робочих клітях;

3.       за числом й розташуванням робочих клітей.

За призначенням стани розділяють на 2 основних типи:

1. стани для виробництва напівпродукту;
2. стани для виробництва готової продукції.

До першого типу відносяться обтискні й заготовочні стани. Обтискні стани – блюмінги й слябінги з діаметром валків              800―1400 мм – призначені для прокатки злитків у заготівлі великих розмірів (блюми й сляби), які як напівпродукт надходять для наступної прокатки в заготівлі менших розмірів або для одержання готового продукту. Заготовочні стани маючи діаметр валків   450―750 мм призначені для прокатки блюмів у заготівлі більш дрібних розмірів (від 50 50 мм до 150 150 мм), що є вихідним матеріалом для подальшої прокатки на сортових станах.

До другого типу станів відносять:

  1.   рейкобалкові з валками діаметром 750 - 900 мм для прокатки    

 залізничних рейок, двотаврових балок, швелерів, куточків

 великих розмірів;

 2. крупносортові з валками діаметром 500 - 750 мм для прокатки     крупносортової сталі (квадратної й круглої від 80 до 150 мм), балок і швелерів 120-140 мм;

3. середньосортові з валками діаметром 350-500 мм для прокатки середньосортової сталі (квадратної й круглої 40-80 мм), балок і швелерів висотою до 120 мм;

4. дрібносортні з валками діаметром 250―350 мм для прокатки дрібних сортових профілів (квадратних й круглих 8―40 мм), кутових профілів 20 20 до 50 50 мм;

5. дротові стани з валками діаметром 250-300 мм для прокатки дроту (катанки) діаметром 5-9 мм;

6. смугові (штрипсові) стани з валками діаметром 300-400 мм для прокатки смуг шириною 65-500 мм і товщиною 1,5-10 мм;

7. товстолистові стани для прокатки листів товщиною 4-60 мм;

8. тонколистові гарячої й холодної прокатки для листів товщиною 0,2-4 мм і шириною 500-2500 мм;

 9. універсальні стани для прокатки універсальних смуг шириною 200-1500 мм;

10. трубні стани для виробництва безшовних і зварених труб;

 11. стани спеціального призначення - колесо- і бандажепрокатні, кульопрокатні й т.д.

Як видно з наведеної класифікації, основною характеристикою сортових станів є діаметр робочих або шестеренних валків. Якщо в стані є кілька клітей, то характеристикою всього стана є діаметр валків чистової кліті. Наприклад, дротовий стан 250 означає, що діаметр робочих або шестеренних валків чистової кліті дорівнює 250 мм.

За числом й розташуванням валків у робочих клітях стани розрізняють:

1. дуо-стани - (двохвалкові) із двома валками в кожній кліті розташовані горизонтально один над іншим у вертикальній площині. (Рис.)

Стани дуо можуть мати постійний напрямок обертання валків (нереверсивні) і змінне (реверсивні). В останньому випадку валки періодично змінюють напрямок обертання й злиток або смуга проходить між валками вперед та назад кілька разів; обидва валки звичайно є приводними. Більше поширення одержали реверсивні дуо-стани: блюмінги, слябінги, товстолистові й ін.

2. Тріо-стани, у яких три валки розташовані горизонтально один над іншим в одній вертикальній площині. Смуга прокочується спочатку між нижнім і середнім валками, а потім спеціальним пристосуванням (підйомно-хитними столами) піднімається на рівень рознімання середнього й верхнього валків і при зворотному ході прокочується між середнім і верхнім валками. На тріо-станах прокочуються сортовий метал і листи. Листові тріо-стани мають середній не приводний валок трохи меншого діаметра, чим верхній і нижній, а на сортових - всі валки однакового діаметра.
3. кварто-стани мають чотири валки, вертикально розташовані один над іншим, два валки меншого діаметра (середні) - робочі, а більші (верхній і нижній) - опорні. Опорні валки сприймають тиск при прокатці й зменшують прогин робочих валків. Стани кварто бувають реверсивні й нереверсивні. Вони призначені для прокатки аркушів і смуг.
4. багатовалкові стани бувають шестивалкові, дванадцятивалкові, двадцятивалкові й ін. Ці стани мають два робочих вала малого діаметра, а інші - опорні. Через малий прогин робочих валків ці стани застосовують для холодної прокатки тонких смуг і вузьких стрічок у рулонах.
5. універсальні стани, які мають в одній робочій кліті вертикальні й горизонтальні валки. На цих станах метал обжимається по ширині й висоті. Універсальні стани застосовують для прокатки смуг названих універсальною сталлю. (Рис.)

По числу й розташуванню робочих клітей прокатні стани розділяють на одноклітові й багатоклітові. Найпростішим типом є одноклітовий стан. До них відносяться блюмінги, слябінги, товстолистові дуо-  і тріо-стани, універсальні стани.

Багатоклітові стани мають дві й більше робочі кліті. Розташування клітей може бути: лінійним, послідовним і безперервним. У цих станів кожна робоча кліть або група з 2-4 клітей має лінію привода валків.

Лінійними станами з розташуванням робочих клітей в одну лінію є рейкобалкові й крупносортові стани.

Найпоширенішим типом сучасних багатоклітових станів є безперервні стани, у яких число робочих клітей дорівнює необхідному числу проходів; прокатка ведеться за принципом – у кожній кліті один прохід. Кліті розташовані послідовно одна за іншою так, що смуга одночасно перебуває у двох і більше клітях. Швидкість прокатки в кожній робочій кліті в міру зменшення перетину прокочуємої стрічки збільшується, що досягається зміною числа обертів валків при індивідуальному приводі валків кожної робочої кліті, або зміною передатного відношення й числа обертів валків і діаметра робочих валків при груповому приводі.

Непреривчаті стани застосовуються в якості заготовочних, сортових, дротових, штрипсових (смугових), листових для холодної й гарячої прокатки. Швидкість прокатки на цих станах досягає 3-?35 м/сек і більше, завдяки чому безперервні стани мають високу продуктивність.

Рис.

§ 4. Технологічний процес прокатки

Техпроцес прокатки являє собою комплекс послідовних термомеханічних операцій, виконуваних на відповідному встаткуванні стана для одержання напівпродукту або готової продукції.

Найбільш загальна схема техпроцеса прокатки включає наступні операції:

1. підготовка вихідного матеріалу до прокатки;
2. нагрівання металу перед прокаткою;
3. прокатка;
4. обробка й контроль якості прокату.

При підготовці вихідного матеріалу до прокатки видаляють поверхневі дефекти: плівки, шлакові включення на злитках, неглибокі тріщини й ін. Це поліпшує якість прокачаної продукції, збільшує вихід придатного.

Поверхневі дефекти видаляють вогневим зачищенням, обдиранням на металорізальних верстатах, пневматичною вирубкою, зачищенням абразивними колами, електродуговим і ін. способами.

Підготовлений вихідний матеріал нагрівають у різних нагрівальних пристроях з метою зменшення опору металу деформації, поліпшення його структури й додання достатньої пластичності. Якість нагрівання має велике значення, тому що воно впливає на продуктивність стана, якість матеріалу, що прокочує, величину браку, а також на макро- і мікроструктуру металу і його механічні властивості.

Нагрітий метал транспортується до стану для прокатки. Дотримання режиму обтиснень і температурного інтервалу прокатки забезпечує одержання прокачаної продукції потрібних розмірів, форми і якості поверхні.

Обробка прокату залежить від його виду, хім. состава металу й ін. факторів. Вона включає: різання, виправлення, охолодження або термообробку, видалення дефектів, упакування.

При виконанні всіх операцій здійснюється контроль якості поверхні металу, нагрівання, форми, розмірів і т.д. Готовий прокат піддають кінцевому контролю.

§ 5. Основні види прокатки

Розрізняють наступні види: поздовжня, поперечна й поперечна гвинтова прокатка.

При поздовжній прокатці заготівля переміщається перпендикулярно осі валків, які обертаються в протилежних напрямках. До 90% прокату виготовляють поздовжньою прокаткою (листи, прутки, смуги).

При поперечній прокатці валки, які обертаються паралельно в одному напрямку, обертають заготівлю, що деформується при примусовому переміщенні її уздовж валків.

При поперечній гвинтовій прокатці валки обертаються в одну сторону, але розташовані під кутом друг до друга. Таке розміщення валків забезпечує поява осьового зусилля, завдяки якому заготівля переміщається уздовж осей валків.

Поперечна й гвинтова поперечна прокатка застосовується при виготовленні виробів з перетином, що змінюється по довжині. Принцип гвинтової поперечної прокатки використовується також при виготовленні труб.     (Рис.)

§ 6. Прокатка труб

Труби прокочуються на трубопрокатних станах. Процес прокатки безшовних труб ділиться на дві стадії:

1. одержання пустотілої гільзи зі злитка або круглого прокату;
2. одержання з пустотілої гільзи готової труби.

Пустотілі гільзи одержують частіше на прошивному стані. Для труб великого діаметра порожні гільзи можна одержати відцентровим литтям.

Прошивний стан складається із двох робочих косо розташованих валків. Валки обертаються в одному напрямку, а заготівля - у протилежному. Для втримання заготівлі між валками передбачають спеціальні пристрої. Робочі валки мають конуси прошивання й розкочування, а середні - калібрований пасок. Між валками на шляху руху порожньої заготівлі, що виходить (гільзи) установлюється оправлення. При розташуванні робочих валків під деяким кутом між їхніми осями досягається обертання заготівлі щодо своєї осі й одночасно поступальний її рух, завдяки чому заготівля насувається на оправлення й прошивається.

Після прошивання гільзу передають на періодичний нереверсивний дуо-стан. Гільза, надягнута на оправлення, подається у фасонний калібр змінного перетину. У момент, коли валки утворять калібр максимального діаметра, гільза подається у валки, а потім піддається деформуванню з висуванням її в напрямку, зворотному подачі. У момент, коли калібр знову буде максимального діаметра, гільза знову подається у валки на таку довжину, щоб надалі робоча ділянка калібру захопила нову не обтиснуту ділянку гільзи. Так поступово відбувається обтиснення гільзи в трубу. Прямий (подача заготівлі) і зворотний (момент обтиснення) хід чергується поворотом заготівлі навколо осі.

Після розкочування труби обробляються на спеціальній машині для усунення овальності й різностінність й потім піддаються прокатці на каліброваному стані для одержання остаточних розмірів.

При виробництві зварених труб вихідним матеріалом служить плоска прокачана заготівля (штрипс) у вигляді смуги згорнутої в рулон.

Процес виготовлення зварених труб складається з наступних операцій:

1. згортання заготівлі;
2. зварювання згорнутої заготівлі;
3. обробка труби.

Труби з маловуглецевої стали виготовляють із застосуванням зовнішнього зварювання на безперервному стані.

Трубна заготівля у вигляді рулону спочатку розмотується, а потім правиться на правильній машині. Передній кінець заготівлі відрізається ножицями й у зварювальному апарату зварюється з кінцем попередньої заготівлі, що попередньо був також обрізаний ножицями. Далі заготівля у вигляді стрічки надходить у довгу (до 40 м) газову піч. Нагріта в печі до температури 1350 º С стрічка направляється в безперервний трубний стан, що має 6 пар валків з відповідними калібрами, за допомогою яких стрічка поступово згортується в трубу, а потім шляхом натискання однієї крайки на іншу здійснюється зварювання крайок стрічки, тобто одержання труби. Безупинно вихідні зі стана труби розрізають пилкою по 6 - 8 м і калібрують на каліброваному стані.

Застосування електрозварювання дозволяє одержувати труби з більш тонкою стінкою, а також труби з підвищеним змістом вуглецю й навіть із легованих сталей.