Прокатное производство

Прокатка — вид обработки давлением, при котором исходная заготовка — слиток или отливка — под действием сил трения непрерывно втягивается между вращающимися валками и пластически деформируется с уменьшени-

Рис. 19.1. Схема основных видов прокатки:

а — продольная; б — поперечная; в — поперечно-винтовая

ем толщины и увеличением длины, а иногда ширины. Прокатке подвергают­ся почти 90% всей выплавляемой стали и значительная часть цветных метал­лов. В зависимости от формы и расположения валков и заготовок по отно­шению к ним различают следующие основные виды прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая.

При продольной прокатке (рис. 19.1, а) заготовка 1 деформи­руется между двумя валками 2, вращающимися в разные стороны, и пере­мещается в направлении, перпендикулярном осям валков.

При поперечной прокатке (рис. 19.1, б) валки 2 вращаются в одном направлении, а заготовка 1, имеющая форму тела вращения, переме­щается параллельно осям валков и обжимается по образующей с увеличени­ем длины и уменьшением площади поперечного сечения.

При поперечно-винтовой прокатке (рис.19.1, в) валки 2 расположены под углом друг к другу, вращаются в одну сторону и при обжа­тии заготовки / сообщают ей вращательное и поступательное движения. В процессе прокатки во всех случаях перемещение заготовки между валками обеспечивается наличием контактного трения между обрабатываемой заго­товкой и рабочей поверхностью валков.

Для нормального протекания процесса, особенно для его начала в пери­од захвата, необходима определенная величина сил трения (рис. 19.1, а). Со стороны валков на заготовку действуют нормальные силы N и сила трения Т. Для соблюдения условий захвата и перемещения заготовки в направлении прокатки необходимо, чтобы JVsincc < Г cos а. Угол а, при котором это ус­ловие выполняется, называется углом захвата. Выразив силу трения как T = fN, где/— коэффициент трения, и подставив в формулу условия за­хвата, получим sin a </cos а или/> tg а, т.е. для обеспечения захвата заго­товки валками необходимо, чтобы тангенс угла захвата был меньше коэффи­циента трения.

При горячей прокатке стали гладкими валками угол захвата равен 15—24°, при холодной — 5—8°.

Таким образом, степень обжатия заго­товки при прокатке в значительной степени определяется углом захвата или коэффици­ентом трения между валками и заготовкой. Для его увеличения часто на поверхность валков наносят риски, рифления, специаль­ные наплавочные валики, повышая тем самым допустимую величину абсолютного обжатия.

Рис. 19.2.Прокатные валки и калибры: а — гладкий; б — с фигурными выре­зами; в — калибр открытый; г — калибр закрытый

Инструментом прокатки являются валки, которые могут быть гладкими (рис. 19.2, а) для проката листов, полос и т. д. либо с фигур­ными вырезами (рис. 19.2, б) — ручьями. Совокупность соответствующих вырезов в верхнем и нижнем валках образует калибр. Пара валков обычно имеет несколько калиб­ров. Калибры могут быть открытыми или закрытыми (рис. 19.2, в, г).

Валки вращаются в подшипниках, которые у одного из валков могут пе­ремещаться специальным механизмом. Вследствие этого изменяется рас­стояние между осями деформирующей пары валков и соответственно изме­няется абсолютная величина обжатия.

Комплект прокатных валков со станиной называется рабочей клетью. Прокатные станы подразделяют по числу и расположению валков в клетях на дуо, трио, кварто, многовалковые и универсальные.

Дуо-клеть имеет два валка (рис. 19.3, а). Если они могут вращаться только в одну сторону, клеть называется нереверсивной. Такие клети применяются для прокатки сортового металла, проволоки тонких листов. У реверсивных дуо-клетей валки могут изменять направление вращения; они применяются для прокатки крупных слитков, толстых листов, мас­сивных профилей. Клеть трио (рис. 19.3, б) имеет три валка, располо­женных в одной вертикальной плоскости. Направление вращения валков всегда постоянно. Прокатываемая заготовка после каждого прохода смещается в новое положение, постоянно работает средний валок. Этим обеспечивается реверс направления заготовки. Трио-клеть используется

шП^Х^КП

Рис. 19.3. Рабочие клети прокатных станов:

а — дуо; б — трио; в — кварто; г — многовалковый; д — универсальные

для прокатки сортового металла. В связи с развитием непрерывной про­катки они применяются все реже.

В клетях кварто (рис. 19.3, в) четыре валка расположены в одной плос­кости, два средних малого калибра имеют привод и являются рабочими. Два других валка большого диаметра отдельного привода не имеют и выполняют функции опорных, уменьшая деформации рабочих. Этим обеспечивается большая точность поперечного сечения проката толстых и тонких листов. Нереверсивные кварто-клети используются в непрерывных многоклетьевых, а реверсивные — в одноклетьевых станах.

Многовалковые клети имеют от шести до двадцати валков и более. Обычно рабочие валки малого диаметра не имеют привода; их вращение обеспечивается за счет трения от промежуточных приводных валков, кото­рые, в свою очередь, опираются на опорные (рис. 19.3, г).

Многовалковые клети применяются для прокатки широких листов большой точности, а также для прокатки тонких лент и фольги толщиной менее 0,2 мм.

Универсальные станы имеют парные горизонтально и вертикально рас­положенные валки, ограничивающие течение металла в ширину. Расстояние между валками может изменяться, поэтому они позволяют получать как лист, так и любой прямоугольный профиль с ровными боковыми стенками. Их применяют для прокатки толстых листов, высоких двутавровых балок с широкой полкой (рис. 19.3, д).

Форму поперечного сечения продукции, получаемой при прокатке, на­зывают профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой, называют сортаментом. Сортамент проката подразделяется на группы: сортовой прокат, листовой, трубы и профили специального назначения.

31

²¹ 22 23 ~24

-%*

32

8 9 10

Рис. 19.4. Разновидности профилей проката:

1—10 — простые; 11—17 — фасонные; 18—34 — сложные специальные

В свою очередь, сортовой прокат по форме сечения разделяют на про­стой — геометрической формы — круг, квадрат, шестигранник и другие; фасонный — уголки, тавры и двутавры, рельсы, швеллеры и др. (рис. 19.4). Цветные металлы прокатывают обычно на простые профили.

Листовой прокат условно подразделяется на толстолистовой (от 4 мм и больше) и тонколистовой (менее 4 мм). Поскольку листовая сталь находит наиболее широкое применение, ее подразделяют на автотракторную, транс­форматорную, кровельное железо, жесть, листовую сталь со специальными покрытиями, биметаллический лист и т. д.

19.2. Производство распространенных видов проката

Производство блюмов, слябов и сортового проката. Исходными за­готовками при производстве сортового проката или листов являются слитки. Перед прокаткой слитки подогревают до температуры 1300 °С и прокатыва­ют на блюминге, получая заготовки квадратного сечения со сторонами от 450x450 до 150x150, называемые блюмами. (В настоящее время блюмы и слябы чаще получают при непрерывной разливке стали.)

В свою очередь блюмы являются исходным материалом для получения крупных профилей на крупносортных станах либо разрезаются на мерные куски и прокатываются на заготовки квадратного сечения от 150x150 до 60x60 мм, которые после охлаждения и поверхностной обработки (зачистки) направляют на средне- и мелкосортные либо на проволочные станы. Уста­навливают непрерывные заготовочные станы вблизи блюминга, и прокатка на них производится сразу после получения блюма без дополнительного нагрева.

Слитки более крупные — до 60 т — прокатывают на слябы прямоуголь­ного сечения с максимальной толщиной до 350 мм и шириной до 2300 мм. Слябы являются исходным материалом для прокатки на толстый лист.

После прокатки на слябинге часть проката направляется на заготовоч­ные станы. Полученные полосы режут на мерные куски необходимой длины — сутунки — и передают на склад для охлаждения. Последующая обработка включает отделочные операции: зачистка, травление, удаление поверхност­ных дефектов.

Выход годной продукции на этих операциях в зависимости от качества слитка и степени раскисленности составляет 90—80%.

Полученные таким образом заготовки после отделочных операций на­правляются на сортовые и листопрокатные станы.

На сортовых станах заготовка после нагрева в печах последовательно проходит прокатку в 7—15 калибрах, в последнем из которых получают тре-

буемый профиль (рис. 19.5). По­сле резки на мерные длины полу­ченный профиль охлаждают, пра­вят в холодном состоянии, произ­водят термическую обработку.

Рис. 19.5. Последовательность проката рель­са на сортопрокатном стане

Для производства толстых листов слябы прокатывают в двух взаимно перпендикулярных на­правлениях — в продольном и поперечном — для получения нужной ширины и снижения сте­пени анизотропности готовой продукции. Прокатку толстых листов проводят на одно- или двухклетьевых станах в горячем состоянии.

Тонколистовую сталь прокатывают в горячем или холодном состоянии. Горячекатаные листы обычно получают толщиной свыше 1,25 мм. Для полу­чения листов меньшей толщины в качестве заготовок применяют горячека­таные листы; после отжига, удаления окалины травлением и промывки про­изводят прокатку на одно- или многоклетьевых непрерывных четырех- или многовалковых станах. Листы, предназначенные для холодной листовой штамповки, после отжига дополнительно обрабатывают на дрессировочных станах. Дрессировка производится на станах холодной прокатки с обжатия­ми в пределах до 3% с целью получения наклепа. Полученные после дресси­ровки, отжига и травления листы называются декапированными.

Современная технология позволяет получать непрерывной холодной прокаткой листы толщиной менее 0,1 мм с суммарным обжатием до 80— 90% без промежуточной термической обработки.

19.3. Производство бесшовных и сварных труб

Трубы подразделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы прока­тывают диаметром 30—650 им с толщиной стенки от 2 до 160 мм, сварные — диаметром от 5 до 2500 мм. Материалом для производства труб могут быть как углеродистые, так и легированные стали, цветные металлы. В качестве заготовки для производства бесшовных труб применяют круглые или гране­ные слитки, а также круглые катаные прутки большого диаметра. Основной операцией является прошивка заготовки, т. е. получение в заготовке сквозно­го отверстия. Перед прошивкой заготовку нагревают в методической печи до температуры горячей обработки давлением и направляют на прошивочный стан с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под углом 10—15° друг к другу (см. рис. 19.1, в). Таким образом, при прошивке отвер-

Рис. 19.6. Прокатка труб на оправке с целью уменьшения толщины (а) и гильз на пилигримном стане (б)

стия используется принцип поперечно-винтовой прокатки. В результате вращательно-поступательного движения заготовки при достаточно большой степени обжатия в центре заготовки возникают весьма значительные ради­альные растягивающие напряжения, вызывающие течение металла от центра к периферии.

Металл в центре доводится до состояния разрыхления, и заготовка легко прошивается неподвижным прошением 3, надвигаясь на него в результате поступательного движения заготовки.

Диаметр полученной гильзы мало отличается от диаметра исходной за­готовки, а величина вытяжки в результате прошивки составляет 200—300%. Последующая обработка гильзы для получения нужного диаметра трубы и толщины стенки выполняется на автоматическом нереверсивном дуо-стане, в валках которого имеются последовательно расположенные круглые калибры. Прокатка производится на оправке, диаметр которой меньше диаметра от­верстия в калибре на удвоенную толщину стенки трубы (рис. 19.6, а).

Прокатка проводится несколько раз; каждый раз трубы вместе с оправ­кой поворачиваются в валках на 90°. Способ позволяет получать трубы диа­метром 57—426 мм с толщиной стенки 3—30 мм. Производительность од­ной установки до 300 тыс. т в год.

Значительно больший диапазон возможностей при прокатке гильз на пилигримных станах: диаметр трубы 48—605 мм при толщине стенок 225— 50 мм. Рабочие валки стана имеют ручьи переменной ширины и высоты по окружности, т. е. имеют рабочую часть, где они образуют калибр, размер которого соответствует требуемому диаметру трубы, и холостую, где эти размеры существенно больше (рис. 19.6, б).

В гильзу вводят дорн, на котором раскатывают трубы между двумя вал­ками с калибрами переменного профиля. При вращении валков гильзу вме­сте с дорном периодически подают на 25—80 мм в зазор между валками в момент совпадения холостой части обоих валков. При дальнейшем враще­нии валков размеры калибра уменьшаются и валки обжимают заготовку, ко­торая вместе с дорном перемещается назад. После полного оборота валков гильза опять подается вперед, одновременно поворачиваясь на 90°, и снова попадает в деформирующую часть валков. При этом после деформирования

полирующая часть валков выравнивает диаметр и толщину стенки трубы. Вытяжка при такой прокатке может достигать 10—14-кратной величины. Производительность установки до 250 тыс. т в год.

Прокаткой на непрерывном трубопрокатном стане получают трубы диаметром 29—108 мм и толщиной стенки 8—12 мм. Производительность их достигает 900 тыс. т в год.

Сварные трубы из низкоуглеродистых и низколегированных сталей из­готавливают из прокатанных полос, называемых штрипсами, или листов, ширина которых равна длине диаметра (или половине диаметра) трубы. Процесс производства трубы включает в себя формовку плоской заготовки в трубу, сварку (печную, электрическую, газовую, высокочастотную и др.), правку, калибровку.

Печной сваркой получают трубы небольшого диаметра до 10—114 мм и толщиной 2—5 мм из низкоуглеродистой стали. Процесс включает в себя нагрев полос в газовой печи до 1300—1350 °С, формовку нагретого участка в сварочной воронке и обжатие со значительной пластической деформацией. Процесс осуществляется на непрерывных станах со скоростью до 200 м/мин.

Большое распространение при производстве труб большого диаметра для магистральных трубопроводов получил способ с применением электро­сварки под флюсом.

Производят сварные трубы с прямыми и спиральными швами. По пер­вой технологии из листа формируют трубную заготовку, затем ее сваривают с наложением наружного и внутреннего швов. При производстве труб со спиральным швом в качестве исходной заготовки используют ленту, кото­рую сворачивают по спирали в трубу нужного диаметра и затем сваривают по кромке наружным и внутренним швами. Прочность, а главное надеж­ность, труб со спиральным швом выше, чем с прямым.

19.4. Производство специальных видов проката

Профили специального назначения, производимые методами прокатки, отличаются большим разнообразием. Многие из них производятся не на ме­таллургических, а на машиностроительных предприятиях. Все их можно от­нести к двум группам: периодический и специальный прокат. Как правило, все разновидности специальных профилей производят на станах поперечной либо поперечно-винтовой прокатки. Принцип прокатки периодических про­филей, служащих заготовками для других видов обработки, заключается в применении валков, периодически смещающихся по мере продвижения заго­товки. Большую группу заготовок производят на станах поперечно-винтовой прокатки: шары для подшипниковой промышленности, заготовки для шатунов

Рис. 19.7. Прокатка шаров: Рис. 19.8. Виды гнутых профилей

1 — заготовка; 2 — ограничители; 3 — прокатные валки

двигателей, ролики, ребристые трубы, вагонные оси, цельнокатаные вагонные колеса, зубчатые колеса и др. (рис. 19.7).

Применение специальных технологий и оборудования для производ­ства ряда изделий прокаткой взамен традиционно существующих мето­дов позволяет резко увеличить производительность и повысить качество изделий.

Поперечное сечение горячекатаных профилей очень часто оказыва­ется существенно завышено по сравнению с требованиями расчета и конструктивными особенностями изделия. Однако технологические осо­бенности прокатки не позволяют получить сечения меньшей толщины. При необходимости снизить массу конструкции нередко приходится прибегать к механической обработке, уменьшать сечение элементов, пе­реводя излишний металл в стружку. Во многих случаях более рацио­нальным является применение гнутых профилей, изготавливаемых в хо­лодном состоянии на роликовых листогибочных станах. Заготовкой для производства гнутых профилей является горяче- и холоднокатаная поло­са или лента. Процесс профилирования прокаткой является непрерывным и заключается в изменении формы поперечного сечения полосы при со­хранении толщины, равной толщине исходной ленточной заготовки. В зависимости от конструкции стана и конфигурации применяемых пар валков-роликов лента последовательно приобретает очертания сечения, приближающиеся к требуемому. Прокатку полосы осуществляют в не­скольких клетях; для сложных профилей их может быть 15 и более. Вы­сокая производительность процесса (до 3 м/с) наряду с существенным снижением массы элементов определяет широкое применение гнутых профилей в автомобильной и авиационной промышленности, машино­строении и строительстве.

На рис. 19.8 представлены примеры закрытых и открытых гнутых профилей. Процесс профилирования прокаткой легко совмещается со сваркой, пробивкой отверстий, окраской и другими технологическими процессами.

19.5. Волочение

Волочение — процесс протягивания прутка через отверстие, размеры кото­рого меньше, чем исходные размеры прутка. При этом длина прутка увеличива­ется, а поперечное сечение приобретает форму отверстия с одновременным уменьшением поперечного сечения. Волочение производят в холодном состоя­нии. Исходным материалом могут быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали, цветные металлы и сплавы.

Этим способом получают проволоку, в том числе и с минимальным диаметром до 0,002 мм, прутки простой и сложной конфигурации сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные, фасонные шпонки и др. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемого изделия.

Основной инструмент при волочении сплошных профилей — волоки различной конструкции, а при волочении полых профилей — волоки и оп­равки к ним (рис. 19.9).

Волока / закрепляется в обойме 2, которая затем крепится на жесткой волочильной доске. Волока работает в сложных условиях — большое на­пряжение сочетается с износом при протягивании. Поэтому их изготавлива­ют из твердого металлокерамического сплава, состоящего из карбидов вольфрама, титана, бора и др. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмазов. Волоки имеют сложную конфигурацию: входная часть обычно выполняется сферической, затем располагается смазывающий конус /, за ним деформирующий (II) с углом в вершине а.

Угол а зависит от твердости обрабатываемого материала, от сечения за­готовки, а также от коэффициента контактного тре­ния и составляет 8—24°.

За деформирующей частью располагаются ци­линдрический калибрующий поясок (III) и выходной конус (IV).

Рис. 19.9.Сферическая входная часть волоки: / — смазывающий конус; //— деформирующий конус, III — калибрую­щий поясок, IV — выход­ной конус

Волочение осуществляют на волочильных станах, состоящих из тянущего устройства и волочильного ин­струмента. По типу тянущего устройства волочильные станы подразделяются на станы с прямолинейным дви­жением протягиваемого материала (цепной, реечный, гидравлический) и с наматыванием его на барабан (ба­рабанный тип). Станы барабанного типа применяются в основном для получения проволоки, редко для сплош­ных и полых профилей и только для тех случаев, когда изгиб при наматывании на барабан не нарушает формы поперечного сечения.

Рис. 19.10. Схема волочильного стана цепного типа:

1 — станина; 2 — волока; 3 — волочильная тележка; 4 — цепь; 5 — привод волочильной тележки

На рис. 19.10 приведена схема стана цепного типа. Основными элемен­тами его являются станина /, механизм перемещения тележки 5, бесконечная цепь 4, тележка с захватом 3, стойка для крепления инструмента — волоки 2. Длина протягиваемого изделия на ценных станах ограничивается длиной станины и обычно не превышает 15 м. Скорость волочения на цепных станах довольно значительна — до 2 м/с.

Барабанные станы в зависимости от назначения могут быть одноба-рабанные, или однократные, и многобарабанные (рис. 19.11). Первые применяют при волочении толстой проволоки диаметром 4—25 мм и иногда труб; при волочении труб диаметр намоточного барабана увели­чивают с 450 мм до 2000 м. Скорость волочения в этом случае также со­ставляет 1,5—2 м/с.

В станах многократного волочения обработка происходит последова­тельно в нескольких волоках: протягиваемый профиль при выходе из одной волоки наматывается на барабан и поступает в следующую волоку и т.д. Много­кратный стан может иметь до 30 волок. Скорость волочения может достигать 20 м/с. Если привод на все барабаны один, то в этом случае скорость враще­ния барабанов должна быть возрастающей в соотношении, обеспечивающем постоянство секундного объема, т. е.

F,v, = F₂v₂ = F„v„,

_где р — площадь сечения профиля при выходе из очередной волоки; v — скорость протягивания.

Заготовки перед волочением подвергают термической обработке для снятия наклепа и придания металлу необходимых пластических и прочност­ных характеристик. Непосредственно перед волочением заостряют конец заготовки, удаляют окалину механическим, химическим или электролитиче­ским методами, промывают и наносят подсмазочный слой, который должен

Рис. 19.11. Схема стана барабанного типа:

I — волочильная доска; 2 — натягивающее устройство; 3 — барабан

удерживать смазку и предохранять рабочую поверхность волоки от налипа­ния металла.

Подсмазочный слой может быть различным: тонкий слой гидроксида железа Fe(OH)„, медный, фосфатный, известковый др. Перед каждой филье­рой поверхность заготовки смазывают для уменьшения трения металла о стенки фильеры.

Степень деформации при волочении обычно не превышает 30—35% и

F - F
определяется по формуле *Р = —------- ^L100%. Коэффициент вытяжки при

этом составляет за один проход ц = 1,25—1,45 и определяется из условия допустимого усилия волочения, которое не должно превышать

P_t < c₀₂F₀ или Р < KFiG_a,

где Я =0,7—0,8.

Рис. 19.12. Разновидности сложных (а) и пустотелых (б) профилей, полу­ченных волочением

В случае несоблюдения этого условия напряжения выше а₀,2 могут при­вести к местному течению металла и изменению сечения заготовки. При не­обходимости получить большую величину деформации производят много­кратное волочение. В этом случае полученный в процессе предыдущих опе-

раций наклеп снимают отжигом, затем проводят все подготовительные опе­рации и повторяют процесс до получения изделия нужного сечения.

На рис. 19.12, а представлены примеры некоторых сплошных профилей, получаемых волочением, а на рис. 19.12, б — схемы получения пустотелых профилей на примере трубы. Волочение обеспечивает высокую точность размеров, малую шероховатость поверхности, большую степень упрочнения. Изделия после волочения, как правило, механически не обрабатывают.