Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

Для прокатки блюмов и заготовок применяют блюминги, обжимные станы, непрерывные и линейные заготовочные станы. Прокатку слябов осуществляют на слябингах и блюмингах.

Блюмингом называют высокопроизводительный мощный прокатный обжимной стан, специально предназначенный для обжатия стальных слитков в блюмы, при этом иногда блюминги используют для прокатки слябов. Производительность блюминга по слиткам достигает 6 млн. т в год. Масса механического оборудования такого блюминга около 5400 т, а общая мощность электродвигателей

17000 кВт.

На металлургических заводах с высокопроизводительными листовыми станами вместо блюмингов применяют обжимные станы, прокатывающие только слябы. Слябинг является менее распространенным обжимным станом. Расположение оборудования слябинга аналогично расположению оборудования блюминга с той лишь разницей, что в этом случае иногда имеется рабочая клеть с вертикальными валками.

Сортовые станы горячей прокатки – станы, предназначенные для прокатки готового продукта в виде сортового металла. Рассмотрим основные типы таких станов: универсальные для прокатки широкополочных балок, рельсобалочные, крупносортные, среднесортные, мелкосортные, проволочные и полосовые или штрипсовые (для прокатки полосы шириной не более 400–500 мм).

Универсальный стан для прокатки широкополочных балок является узкоспециализированным и предназначен для прокатки двутавровых балок большого сечения с широкими полками. Нормальным сортаментом такого стана являются балки, высота сечения которых находится в пределах от 200 до 1000 мм с шириной полки от 200 до 400 мм.

Рельсобалочные станы общего назначения применяют в основном для прокатки железнодорожных рельсов, а также балок. Современные рельсобалочные станы подразделяют на две группы: рельсобалочные станы ступенчатого типа из двух или большего числа линий; рельсобалочные станы последовательного типа.

Для горячей прокатки стальных листов в основном используют толстолистовые, листовые широкополосные непрерывные или полунепрерывные и широкополосные станы. В зависимости от задан-

231

ной производительности применяют одноклетевые, двуклетевые и иногда многоклетевые толстолистовые станы. Для прокатки листов шириной более 3000 мм чаще всего применяют одноклетевые толстолистовые станы реверсивные кварто и реже – двухвалковые, а для листов шириной 1500–2500 мм – двуклетевые с последовательным расположением клетей одна за другой (сдвоенные, или тандем). Сначала прокатку проводят в черновой клети, затем сляб передают во вторую чистовую клеть, в которой за несколько проходов осуществляют прокатку до окончательной толщины. Рабочие клети толстолистовых станов могут быть двухвалковыми, трехвалковыми. Наиболее совершенными являются четырехвалковые станы, так как они обеспечивают более точную прокатку листов при более высоких обжатиях по сравнению с двухвалковыми и трехвалковыми станами. Для получения ровных боковых кромок перед основными рабочими клетями устанавливают еще клети с вертикальными валками, служащими для обжатия боковых кромок листов.

Холодная прокатка. Особое место в прокатном производстве занимает холодная прокатка стали и сплавов, которую обычно применяют для получения листа и ленты толщиной менее 3 мм с высокими механическими свойствами и хорошим качеством поверхности.

Холодной прокаткой получают листы и полосы из низко- и высокоуглеродистой, трансформаторной, динамной сталей, цветных металлов и сплавов. Тонколистовой прокат производят в современных цехах рулонным способом, который получил широкое развитие, так как позволяет создавать непрерывные процессы с полной механизацией и автоматизацией технологических операций всего цикла производства.

Технологический процесс производства холоднокатаных полос и листов включает ряд технологических операций, выполняемых последовательно на станах и технологических агрегатах, устанавливаемых в определенном порядке.

Во всех случаях исходный материал (подкат) в виде горячекатаных полос, свернутых в рулоны, поступает в цех холодной прокатки по межцеховому конвейеру из цеха горячей прокатки или железнодорожным транспортом с других металлургических заводов.

232

В основном толщины горячекатаных полос, предназначенных для холодной прокатки, колеблются в пределах от 1,2 до 6,0 мм, а ширина – от 500 до 2000 мм. Масса рулонов 2–40 т. Горячекатаные полосы должны иметь допуск на толщину, не превышающий 0,05– 0,1 мм, так как только в этом случае возможно получение высококачественных холоднокатаных полос с малой разнотолщинностью.

Кроме того, для получения качественных полос после холодной прокатки необходима тщательная очистка горячекатаного подката от окалины и других загрязнений.

Холодную прокатку полос проводят на реверсивных или непрерывных прокатных станах постепенным обжатием полосы в валках всех клетей непрерывного стана или в валках реверсивного стана, пропуская полосу несколько раз в противоположных направлениях. Для производства тончайших лент и лент из специальных сталей и сплавов применяют различные многовалковые станы с весьма малыми диаметрами рабочих валков.

Процесс прокатки на реверсивном стане, как правило, проводят с натяжением полосы при входе и выходе из валков. Для устранения упрочнения, образовавшегося в процессе холодной прокатки, а также для получения необходимых структуры и свойств холоднокатаные полосы подвергают термической обработке. Холоднокатаные полосы из низкоуглеродистой, конструкционной и низколегированной сталей отжигают (в защитном газе) при 650–730 °С.

Холоднокатаный отожженный металл с целью повышения механических свойств, придания ему хорошего внешнего вида и хорошей плоскостности, подвергают дрессировке на специальных станах.

Последней технологической операцией в производстве холоднокатаного листового металла является отделка его поверхности. Для защиты от коррозии листы подвергают лужению, цинкованию, лакированию, наносят покрытия из пластмасс и т. д.

18.5.5. Производство труб и спецпрофилей

Сортамент и способы производства труб. Производство труб значительно отличается от остальных видов прокатного производства не только в форме готового изделия, но также и тем, что

233

большая часть труб является продуктом вторичного передела проката основных видов – круглой и плоской заготовки.

Трубы классифицируют по методу производства и применения. Для изготовления труб из черных металлов применяют четыре основных способа: прокатку, прессование, литье, сварку или пайку.

Качество труб, получаемых прокаткой, прессованием и сваркой, значительно выше, чем литых труб, так как при обработке давлением свойства материала труб улучшаются.

По применению трубы подразделяют на следующие группы: для сооружения трубопроводов (нефте-, водо-, газопроводов); для пе-

редачи тепла (жаровые, дымогарные, кипятильные, паропровод-

ные и др.); трубы, используемые в машиностроении; трубы, применяемые при бурении скважин (бурильные и обсадные); трубы специального назначения (орудийные, баллонные).

Трубы характеризуются внутренним и наружным диаметрами, толщиной стенки и длиной, а также качественными особенностями

– материалом, способом изготовления, механическими свойствами и т. д. Большинство труб имеет круглое сечение, однако в некоторых случаях изготавливают профильные трубы – квадратные, плоские и различные фасонные.

Общая схема процесса производства бесшовных труб предусматривает две основные операции: получение толстостенной гильзы из слитка или заготовки – эту операцию называют прошивкой; получение из гильзы готовой трубы.

Первую операцию выполняют в большинстве случаев на прошивных прокатных станах, но иногда для прошивки заготовки применяют прессы. Вторую операцию выполняют на трубопрокатных раскатных станах различных конструкций.

Кроме указанных основных операций, имеются еще дополнительные отделочные операции. Они необходимы для получения более чистой поверхности и более точных размеров труб, а также для уменьшения толщины стенки и диаметра.

Уменьшение диаметра труб с 70 до 10 мм называют редуцированием и осуществляют на редукционных станах. Горячей прокаткой с последующим редуцированием можно получить трубы диаметром 10 мм, со стенкой толщиной 2 мм. Дальнейшее уменьшение

234

этих размеров может быть достигнуто холодной обработкой на станах холодной прокатки труб и холодным волочением.

При производстве сварных труб исходным материалом служит прокатная полоса – штрипс. Процесс изготовления труб в этом случае состоит из получения заготовки в виде свернутой полосы и последующей сварки шва. Шов можно выполнять встык и внахлест.

Получили распространение сварные трубы большого диаметра сверткой из рулонной листовой стали на станах спиральной сварки труб. Такое название эти станы получили потому, что сварной шов на трубах в этом случае проходит не по прямой, а по спирали.

Трубопрокатные станы. Все трубопрокатные станы можно подразделить на три группы: прошивные, раскатные и отделочные.

Прошивные станы бывают с бочковидными, грибовидными и дисковыми валками. Прошивной стан с бочковидными валками имеет два рабочих валка с двойной конусностью диаметром от 450 до 1000 мм. Оба валка расположены в горизонтальной плоскости, причем их оси в вертикальной плоскости наклонены друг к другу на угол, который можно регулировать от 5 до 18° и более (угол подачи). При прошивке круглой заготовки оба валка вращаются в одном направлении. Для удержания металла в очаге деформации имеются две направляющие линейки, расположенные в вертикальной плоскости, или два неприводных ролика. Заготовка, поступающая в валки, совершает сложное, вращательное и поступательное движение (вследствие наличия угла подачи).

При винтовой прокатке в валках с двойным конусом в металле возникают радиальные и касательные напряжения, причем растягивающие радиальные напряжения достигают значительных величин и вызывают образование полости сравнительно небольшого диаметра, с неровными стенками. Для получения внутреннего отверстия нужного диаметра и с ровной поверхностью прокатку проводят на оправке – конусообразном инструменте, устанавливаемом на конце стержня между валками на пути движения заготовки. Стержень с оправкой устанавливают в специальном упоре. При движении вперед заготовка надвигается на оправку – прошивается, при этом происходит расширение и выравнивание прошитого отверстия.

235

Толстостенные гильзы, полученные на различных прошивных станах, прокатывают в тонкостенные трубы в горячем состоянии на раскатных станах – автоматических, непрерывных и трехвалковых.

Пилигримовый стан состоит из двухвалковой клети и подающего механизма. Направление вращения валков в этом стане противоположно движению заготовки. Металл обжимается в калибре переменного сечения только за полуоборот валков. В следующий полуоборот заготовка проходит между валками без обжатия.

Автоматические раскатные станы являются наиболее распро-

страненными для прокатки бесшовных труб; они обеспечивают вытяжку, равную 1,2–2 в зависимости от размеров труб. Автоматический стан состоит из двухвалковой клети с валками диаметром до 1000 мм и специальных роликов обратной подачи.

Валки стана имеют ряд круглых калибров различных диаметров. В калибр вставляют оправку, удерживаемую на месте стержнем, неподвижно укрепленным в упорной станине. При прокатке на автоматическом стане происходит уменьшение диаметра и толщины стенки трубы, определяемой просветом между калибром и оправкой. Обычно прокатка проходит в два – три пропуска с поворотом трубы после каждого пропуска на 90°.

Обкатные двухвалковые станы по своей конструкции анало-

гичны прошивным станам. Валки этих станов наклонены друг к другу под углом ~ 6,5° и вращаются в одну сторону. Прокатку труб на этом стане проводят на оправке, укрепленной на стержне. Труба, продвигаясь вперед, одновременно вращается вместе со стержнем. Обкатной стан предназначен для раскатки стенки трубы и полировки наружной и внутренней поверхностей для получения равномерной толщины стенки и одинакового диаметра трубы по длине.

Калибровочные станы устанавливают за обкатными и предназначены для устранения овальности и получения труб заданного диаметра. Калибровочные станы могут иметь от одной до двенадцати клетей.

Редукционные станы являются непрерывными станами для горячей прокатки труб без оправки с целью уменьшения их диаметра. По количеству валков, образующих калибр в каждой клети, различают двух-, трех- и четырехвалковые редукционные станы. Конструкция двухвалковых редукционных станов аналогична калибро-

236

вочным многоклетевым станам. Окончательная обработка бесшовных тонкостенных стальных труб заключается в холодной прокатке, холодном волочении или сочетании этих способов.

Сварные трубы изготавливают на трубосварочных агрегатах различными способами, из которых наиболее распространены непрерывная печная сварка, контактная электросварка методом сопротивления, электросварка с индукционным нагревом, дуговая электросварка под слоем флюса или в среде защитных газов и т. д. Процесс получения труб, как указывалось выше, состоит из получения заготовки в виде свернутой полосы и сварки ее в трубу.

Сварка кромок сформованной трубной заготовки представляет процесс кузнечной сварки, заключающийся в использовании способности к молекулярному сцеплению сдавливаемых поверхностей металлов, нагретых до высокой температуры. В последние годы развился и получил широкое распространение способ производства труб электросваркой.

Исходным материалом служит холоднокатаная лента в рулонах, а для больших диаметров труб – листовая заготовка. Сформованная в холодном состоянии заготовка после выхода из последней клети сваривается встык в специальных электросварочных машинах.

Особое место занимают станы спиральной сварки труб. На этих станах трубы получают завивкой полосы по спирали на цилиндрической оправке и непрерывной сваркой спирального шва автоматической сварочной головкой. Этот способ имеет существенные преимущества перед изготовлением труб с продольным швом:

1)диаметр получаемых труб не зависит непосредственно от ширины исходной полосы, так как величина диаметра определяется не только шириной полосы, но и углом подъема спирали, что позволяет из сравнительно узкой полосы получать трубы большого диаметра;

2)спиральный шов придает трубе большую жесткость (вследствие спирального расположения шва последний нагружен на (20– 25)% меньше, чем продольный);

3)спирально-сварные трубы имеют более точные размеры и не требуют после сварки калибровки их концов.

Специальные виды прокатки. Специальные профили могут быть получены различными способами. Так, при периодической

237

прокатке получают изделия, поперечное сечение которых изменяется по определенному закону, и это изменение обычно периодически повторяется по длине прокатываемой полосы. Периодические профили получают продольной, поперечной и винтовой прокаткой.

При продольной периодической прокатке получают профили с односторонним периодом, с двусторонним совпадающим периодом, с несовпадающими верхним и нижним периодами и т. д.

Калибровка валков для получения периодического профиля существенно отличается от калибровки валков при прокатке обычных профилей. При прокатке периодических профилей окончательную форму придают за один проход, причем в различных сечениях одного периода вытяжка непрерывно изменяется, достигая в некоторых случаях двух- и даже трехкратной. Длина периода профиля определяется длиной окружности валка. При каждом обороте валков из них должен выходить отрезок полосы с целым числом периодов, поэтому наибольшая длина периода не может быть больше длины окружности валков при данном диаметре. Поэтому чем больше период, тем больше должен быть и диаметр валков.

Существует также ряд станов специального назначения, например станы для прокатки ребристых труб, для накатки резьб и др.

Особой разновидностью специальных станов является целая группа роликогибочных станов. На этих станах гнутые фасонные профили получают в результате гибки полос в холодном состоянии. Получить такие тонкостенные профили горячей прокаткой во многих случаях невозможно из-за сложности формы и быстрого и неравномерного охлаждения тонкостенных профилей в валках. Профилирование во много раз производительнее гибки в штампах и обладает многими преимуществами по сравнению с прокаткой.

Производство колес и бандажей является комбинированным процессом, включающим ковку и прокатку. Для железнодорожного транспорта изготовляют колеса двух видов: цельные и составные. Цельные колеса изготавливают литые и катаные. В случае раздельного изготовления бандажа и центра колеса называются составными, при этом центр может быть литым или катаным. В последнее время в транспортном машиностроении предпочтение отдается цельнокатаным колесам, так как они более надежны и прочны.

Процесс изготовления цельнокатаных колес включает:

238

1)резку слитков на заготовки;

2)нагрев заготовки;

3)обжим и прошивку заготовки на прессе;

4)формовку колесной заготовки на прессе;

5)прокатку на стане;

6)выгибку и калибровку колес на прессе;

7)термическую обработку колес.

Остывшие колеса нагревают в термических печах до 830–860 °С, после чего закаливают и отпускают. Затем следует окончательная операция механической обработки колес.

Бандажепрокатный стан состоит из двух вертикальных валков, двух наклонных и четырех направляющих роликов. Для обработки по мере увеличения диаметра бандажа все валки раздвигаются относительно неподвижного валка. После прокатки бандажа на стане его растягивают на прессе до кольца правильной формы нужного диаметра, послечего подвергают закалкес последующим отпуском.

18.5.6. Ковка, штамповка, прессование и волочение

Сущность и особенности процессов. Прессованием называют процессы обработки металлов давлением, при которых деформация происходит под действием сжимающих сил. Все процессы прессования можно условно разбить на три группы. К первой группе относятся процессы, при которых весь объем заготовки деформируется одновременно; например штамповка и ковка сразу всего изделия. Ко второй группе относятся процессы, при которых деформации подвергается лишь часть объема заготовки, при этом металл поступает в очаг деформации периодически. К этой группе процессов также относится ковка и штамповка, но с одного конца заготовки. К третьей группе относятся процессы деформации части объема заготовки с непрерывным поступлением металла в очаг деформации – процессы выдавливания металла в щели разного профиля, т. е. прессование и волочение.

Свободную ковку целесообразно использовать при производстве единичных поковок сложной конфигурации. К преимуществам ковки по сравнению с другими способами обработки металлов следует отнести ее универсальность в отношении массы, формы и

239

размеров заготовок; отсутствие затрат на дорогостоящую технологическую оснастку; возможность использования сравнительно маломощных машин-орудий благодаря концентрированному приложению усилий ковки бойками в небольшом объеме деформируемого металла.

Для массового производства поковок следует применять штамповку, производительность которой в десятки раз больше, чем свободной ковки, а необходимая квалификация рабочих значительно ниже. Кроме того, при штамповке достигается значительно большая, чем при свободной ковке, точность размеров и чистота поверхности. Однако штамповка выгодна лишь в серийном производстве, потому что затраты на изготовление штампов оправданы при выпуске значительного количества поковок.

Прессованием можно получить профили сложной формы требуемых размеров с малыми допусками и тем самым сократить до минимума последующую холодную обработку заготовки. Кроме этого, высокая пластичность деформируемых металлов при прессовании благодаря всестороннему сжатию позволяет использовать этот процесс как основной способ производства изделий из цветных металлов и сплавов – труб, прутков и профилей, отличающихся очень большим сортаментом и малыми сериями. В последнее время в связи с возникновением потребности в широком сортаменте профилей из малопластичных легированных сталей, титана и его сплавов применение прессования значительно расширилось.

По сравнению с прокаткой труб, прутков и профилей прессование имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам процесса прессования следует отнести: трехосное сжатие, благодаря которому повышается пластичность металла, и, следовательно, деформирование можно проводить с большими степенями деформации; быстрый переход от изготовления одного размера изделий и форм на другие; возможность получения сплошных и полых профилей самых сложных очертаний.

Технология ковки и штамповки. Ковка и штамповка характе-

ризуются большой неравномерностью деформации, вызываемой контактным трением и другими факторами, влияющими на распределение деформаций по обрабатываемому телу.

240