Инструмент и оборудование прокатного производства. Инструмент и оборудование для прокатки

Продукцией прокатного производства являются полосы, листы, трубы, прутки различного профиля (круглого, квадратного, прямоугольного, шестигранного, углового, двутаврового, швеллерного, таврового и др.), железнодорожные и трамвайные рельсы, колеса, шары, кольца и др. (рис. 3.19) .

Рис.3.15. Примеры профилей сортового проката: 1- квадратный, 2 – круглый, 3 – полосовой, 4 – угловой, 5 – двутавровый, 6 – швеллерный, 7 – железнодорожный рельс, 8- трамвайный рельс, 9 –тавровый, 10 –шпунтовый, 11 – полоса для башмаков тракторных гусениц, 12 – полоса для ободьев колес грузовых автомобилей, 13 – полоса для турбинных лопаток

Прокаткой получают длинномерные изделия, различающиеся формой поперечного сечения, т.е. профилем. Группы профилей, различающиеся формой и размерами, называют сортаментом.

Все типы машиностроительных профилей, получаемых прокаткой, можно разделить на пять групп:

Сортовые профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, тавр и т.д.);

Листовой металл, который подразделяется на тонколистовой (толщиной менее 4 мм) и толстолистовой (толщиной 4…..160 мм);

Трубы, бесшовные (диаметром 51 …650 мм) или сварные (диаметром 10…2200 мм);

Специальные виды проката (колеса, шары, бандажи и др.);

Профили, имеющие периодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки. Их применяют в качестве фасонных заготовок для последующей штамповки или механической обработки.

Прокатка металла, а также вспомогательные операции (транспортирование исходной продукции со склада к нагревательным печам и к валкам стана, передвижение металла в процессе прокатки, кантовка полос металла, правка, резка их на части, маркировка или клеймение, сматывание в бунты или рулоны, упаковка, передача на склад готовой продукции) осуществляются с помощью системы машин и агрегатов, называемой прокатным станом (рис. 3.20) .

Рис. 3.16. Схема устройства прокатного стана: 1- электродвигатель, 2- упругая муфта, 3 –редуктор, 4- главная муфта, 5 – шестеренная клеть, 6 –шпиндели, 8-– рабочие валки

Основной частью прокатного стана является рабочая клеть. В подшипниках станины рабочей клети вращаются рабочие валки 8 . Подшипники верхнего валка могут перемещаться специальным нажимным устройством для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения их осей. Вращение валкам передается от электродвигателя 1 через упругую муфту 2, редуктор 3, главную муфту 4, шестеренную клеть 5 и шпиндели 6 .

Для соединения шпинделей с прокатными валками рабочей клети и валами шестеренной клети служат соединительные трефовые муфты.

По назначению прокатные станы подразделяют на 5 типов: 1) обжимные и заготовочные (блюминги, слябинги, заготовочные сортовые, трубозаготовочные); 2) сортовые (рельсобалочные, крупно-, средне- и мелкосортовые, проволочные); 3) листовые горячей прокатки (толстолистовые, широкополосовые, тонколистовые) и холодной прокатки (листовые, лентопрокатные, фольгопрокатные, плющильные); 4) трубопрокатные; 5) специальные (колесопрокатные, кольце- и бандажепрокатные, шаропрокатные, для профилей переменного сечения, для зубчатых колес и др.)

Блюминг – это высокопроизводительный прокатный стан для обжатия стальных заготовок большого сечения массой от 1 до 12 т в стальные заготовки квадратного сечения со стороной свыше 140 мм, предназначенные для дальнейшей прокатки. Производительность блюмингов – около 2 млн. тн. в год или около 400 тн/час. Для отгрузки суточной продукции блюминга требуется до 160 железнодорожных платформ в сутки. Примерная стоимость годовой продукции крупного блюминга может составлять около 12 млрд. рублей (или около 400 млн. долларов).

Стальные заготовки прямоугольного сечения шириной от 400 до 2500 мм и толщиной от 75 до 600 мм, предназначенные для последующего листового проката, называют слябами, а прокатные станы для переработки крупных стальных слитков в слябы – слябингами. Слябинг, кроме горизонтальных валков имеет еще и вертикальные, использующиеся для обжатия боковых кромок слитка (рис. 3.17) .

Рис. 3.17. Схема расположения валков в универсальном прокатном стане (слябинге) для прокатки широких полос

Инструментом для прокатки являются валки (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Прокатные валки: а - гладкий валок для листа; б - ручьевой валок для сортового проката; 1 – бочка, 2 – шейки, 3 – трефы. в) калибры ручьевого прокатного валка: открытый и закрытый

Прокатный валок имеет рабочую часть 1, называемую бочкой, шейки 2, опирающиеся на подшипники станины клети, и трефы 3. Сечение треф имеет форму крестовин или квадратов для передачи крутящего момента. Бочка валка может быть гладкой (при прокатке листов) или ручьевой (рис.3.18,б) для получения сортового проката .

Ручьем называют кольцевой вырез на боковой поверхности валка (рис.3.18,б). Ручьи верхнего и нижнего валка образуют калибры (рис.3.18, в). Калибр называют открытым, если линия раздела проходит по оси симметрии, параллельной оси валков, и закрытым, если линия раздела является ломанной и смещенной на одну из границ калибра.

Кроме рабочих валков, непосредственно осуществляющих деформацию металла, в прокатных станах часто используются также опорные валки. Это позволяет применять рабочие валки меньшего диаметра, благодаря чему снижается усилие деформирования.

Классификация прокатных станов

Прокатным станом называется комплекс машин и агрегатов, предназначенных для осуществления пластической деформации металла в валках (прокатки), дальнейшей его переработки (правки, резки и пр.) и транспортирования.

В дальнейшем прокатным станом будем называть оборудование, предназначенное только для деформирования металла.

Прокатные станы обычно классифицируют по трем основным признакам:

• назначению или виду выпускаемой продукции;
• расположению валков в рабочей клети;
• расположению рабочих клетей.

В зависимости от назначения прокатные станы делятся на следующие группы.

Станы горячей прокатки, к которым относят обжимные, заготовочные, рельсобалочные, крупносортные, среднесортные, мелкосортные, проволочные, толстолистовые, среднелистовые, тонколистовые, широкополосные и штрипсовые (выпускающие штрипс-заготовку для труб в виде полосы).

Станы холодной прокатки , включающие листовые, жестепрокатные станы, а также станы для прокатки тонкой и тончайшей ленты.

Станы специального назначения , в состав которых входят колесопрокатные, бандажепрокатные станы, станы для прокатки полос и профилей переменного и периодического сечения и т. п.

По конструкции и расположению валков рабочей клети прокатные станы можно разделить на шесть групп (рис. 4.10): двухвалковые, трехвалковые, четырехвалковые, многовалковые, универсальные и клети специальной конструкции.

Рис. 4.10. Рабочие клети с различным расположением валков: а - двухвалковая клеть; 6 - трехвалковая клеть сортовая; в - трехвалковая клеть Лаута листовая; г - клеть четырехвалковая листовая нереверсивная; д - клеть четырехвалковая реверсивная для прокатки полосы в рулонах; е- клеть шестивалковая; ж - клеть двенадцативалковая; з - клеть двадцативалковая для прокатки тонкой полосы; и - универсальная двухвалковая клеть; к - клеть универсальная для прокатки двутавровых балок с широкими параллельными полками

Двухвалковые клети (дуо) (рис. 4.10, а) бывают нереверсивные и реверсивные. Первый вид клети имеет два приводных валка с постоянным направлением вращения. Такие клети реализуются в непрерывных станах, применяемых для прокатки заготовки, проволоки, тонких полос и т. д. В каждой клети этих станов выполняется только по одному пропуску металла в одном направлении. Реверсивные клети имеют два приводных валка с переменным направлением вращения, поэтому прокатываемый металл проходит через валки вперед и назад несколько раз. Недостатком таких клетей является необходимость энергетических затрат на проведение операции реверса, заключающейся в торможении валков, а затем в их разгоне в противоположном направлении. Клети этого типа применяют в блюмингах, слябингах, толстолистовых станах и т. д.

Трехвалковые клети (трио) (рис. 4.10, б) - нереверсивные и могут применяться как для сортовой, так и листовой прокатки. Сортовые клети находят широкое применение, так как на трех валках можно расположить больше калибров, чем на валках двухвалковых клетей. Металл движется в одну сторону между нижним и средним валками и в другую - между средним и верхним.

Листовые трехвалковые клети (клети Лаута) (рис. 4.10, в) применяют для прокатки толстых и средних листов в виде полос длиной 10-20 м. Средний валок является нсприводным и имеет меньший диаметр. При прокатке он прижимается поочередно к верхнему и нижнему валкам и вращается ими за счет сил трения. Оба типа станов снабжаются подьемно-качающимися столами для подачи заготовок между разными парами валков.

В рабочей четырехвалковой клети (кварто) (рис. 4.10, г) валки расположены один над другим: два рабочих валка меньшего диаметра (средние) и два опорных большего диаметра, их назначение воспринимать давление при прокатке и уменьшать прогиб рабочих валков. Станы с такими клетями могут быть реверсивными и нереверсивными. Их используют при прокатке тонких и толстых листов и полос, броневых плит, а также рулонов.

Холодную прокатку рулонов ведут на непрерывных нереверсивных станах. В этом случае перед клетью устанавливают разматыватель рулонов, а позади - моталку, создающую натяжение полосы и наматывающую ее на барабан (рис. 4.10, 0). При холодной и горячей прокатке рулонов на одноклетьевых реверсивных станах моталки устанавливают с обеих сторон клети, и прокатка происходит то в одну, то в другую сторону. Иногда при горячей прокатке моталки устанавливают в печах перед клетью и позади нее.

Шестивалковые клети (секста) (рис. 4.10, е) с двумя рабочими и четырьмя опорными валками ввиду жесткости самой рабочей клети и меньшего прогиба опорных валков служат для холодной прокатки тонких полос и узких лент в рулонах с точными допусками по толщине. Однако преимущества этого типа клетей по сравнению с четырехвалковыми незначительны, а так как их конструкция сложнее, то широкого распространения они не получили.

Двенадцати- и двадцативалковые (рис. 4.10, ж , з ) клети применяются для проката фольги. Благодаря использованию валков очень малого диаметра (10-35 мм) и большой жесткости всей рабочей клети и валковой системы на этих станах успешно осуществляют рулонную прокатку тонкой и тончайшей ленты толщиной 5-100 мкм и шириной 100-1 500 мм с допуском по толщине 1-5 мкм. Рабочие валки таких станов нсприводные, так как имеют слишком малый диаметр; они опираются на приводные валки большего диаметра, а последние, в свою очередь, - на опорные ролики. Эта схема обеспечивает большую прочность всей валковой системы и практически полное отсутствие прогиба рабочих валков.

Клети с горизонтальными и вертикальными валками называются универсальными. Универсальные клети (обычные) применяют главным образом как реверсивные двухвалковые (например, для слябингов) (рис. 4.10, и) или четырехвалковые (например, для толстолистовых станов). На этих клетях обжатие металла осуществляется как горизонтальными, так и вертикальными валками. Вертикальные валки обеспечивают создание ровных и гладких боковых граней листов и слябов. Такие валки располагают, как правило, у одной стороны рабочей клети. В универсальных балочных клетях (рис. 4.10, к), в отличие от обычных, вертикальные валки являются неприводными. Эти станы используют для прокатки высоких двутавровых балок с широкими полками.

Клети специальной конструкции используют в станах узкого назначения: колесопрокатные, бандажепрокатные, кольцепрокатные, шаропрокатные, станы для прокатки профилей переменного и периодического сечения и др.

В зависимости от расположения рабочих клетей прокатные станы делят на пять групп: одноклетьевые, линейные многоклетьевыс, последовательные, полунепрерывные, непрерывные (рис. 4.11).

Одноклетьевые станы (рис. 4.11, а) имеют одну рабочую клеть с линией привода валков, состоящей из шпинделей, шестеренной клети, редуктора, муфт и главного электродвигателя. Одноклетьевые реверсивные станы являются универсальными и удобны для перенастройки с одной программы на другую. Достоинство таких станов - небольшая занимаемая площадь. Недостаток - дополнительный расход энергии и времени на реверсы. К этим станам относят блюминги, слябинги, толстолистовые трех-и четырехвалковые, а также универсальные станы.

Рабочие клети линейных станов (рис. 4.11, 6) расположены в одну, две, три и более линии, причем каждая линия работает от отдельного привода, или несколько линий - от одного электродвигателя. Станы этого типа нереверсивные; их применяют как проволочные, сортовые, рсльсобалоч-ные и толстолистовые.

В последовательных станах (рис. 4.11, в) прокатываемая полоса проходит несколько раз через каждую клеть, поэтому число клетей такого стана равно максимальному числу проходов, необходимых для обжатия заготовки сечением Р 0 в готовый профиль сечением /^1 Для сокращения длины цеха и лучшего использования его площади клети обычно располагают несколькими параллельными рядами. Станы данной группы имеют высокую производительность, поэтому широко применяются для прокатки сортовых профилей.

Рис. 4.11. Схемы расположения и привод рабочих станов: а - одноклетьевого; б - линейного; в - последовательного; г - полунепрерывного; д - непрерывного;

1-13 - рабочие клети

Полунепрерывные станы (рис. 4.11, г) состоят из двух групп клетей: непрерывной и линейной. В одной группе клетей полоса прокатывается непрерывно, т. е. она может находиться одновременно в двух и более клетях. В другой группе прокатка осуществляется по принципу линейных и последовательных станов. Эти станы применяют для прокатки мелкого сорта проволоки и полос.

При прокатке на непрерывном стане (рис. 4.11, д) металл находится одновременно в нескольких клетях, поэтому скорость вращения валков в клетях должна регулироваться и подбираться так, чтобы расход металла в единицу времени в любой клети был постоянным:

F = F 2 v 2 = .. .F„j n = const, (4.43)

где F, F 2 , F n - поперечное сечение металла при выходе из первой, второй и последней клети; х>,о 2 , ..., о„ - скорости полосы на выходе из валков этих клетей. Нереверсивные непрерывные станы являются высокопроизводительными агрегатами, предназначенными для массового проката одной номенклатуры (размера). Непрерывные станы применяют в качестве заготовочных, широкополосных, мелкосортных, проволочных и станов холодной рулонной прокатки листов и жести. Привод валков этих станов может быть групповым или индивидуальным.

Для производства проката в прокатных цехах устанавливают станы различного типа и назначения, которые условно делят на несколько групп.

Заготовочные станы: блюминги, слябинги, непрерывные заготовочные станы. Блюминги и слябинги - это крупные обжимные станы с диаметром валков 800-1 500 мм, в которых прокатку ведут за 11-15 проходов в реверсивном режиме. Как правило, это одноклетьевые станы для производства заготовок больших размеров в виде прямоугольной заготовки (сляба) и квадратной заготовки (блюма). Блюминги бывают одноклетьевые двухвалковые и многоклетьевые, реверсивные и непрерывные. Наибольшее распространение в качестве заготовочных станов для прокатки блюмов и слябов получили одноклетьевые двухвалковые реверсивные блюминги. В зависимости от диаметра валков условно различают большие блюминги (1 100-1 500 мм), средние (900 - 1000 мм), малые блюминги или обжимные станы (800-900 мм). Непрерывные заготовочные станы устанавливаются непосредственно за блюмингом (слябингом) и имеют обычно две непрерывные группы по шесть клетей в каждой.

К станам для производства готового проката относят: сортовые, листовые, трубные и специальные.

К сортовым станам относят крупносортные, рельсобалочные, средне-и мелкосортные. По назначению их делят на две группы: общего назначения, производящие сортовую продукцию широкого сортамента для всех отраслей машиностроения и строительства, и станы специализированные, предназначенные для производства сортового металла сравнительно узкого сортамента, используемого только в отдельных отраслях промышленности.

На крупносортных станах производят прокат с поперечным сечением в виде круга диаметром выше 50 мм, а также равновеликие по площади поперечного сечения квадраты, уголки, швеллеры и другие профили. На среднесортных - профили круглого сечения с диаметром от 30 до 50 мм и другие равновеликие по площади профили. На мелкосортных станах производят прокат, имеющий диаметр от 10 до 30 мм, и другие равновеликие профили. К этим станам могут относить и специализированные проволочные станы, производящие круглый прокат (катанку) диаметром 5,0-8,0 мм.

Крупносортные станы имеют валки чистовой клети диаметром 850-500 мм, среднесортные 500-350 мм, мелкосортные 350-250 мм и проволочные 280-150 мм.

Рельсобалочные станы выпускают кроме основной продукции (рельсов и балок) и другие крупные сортовые профили.

К листовым станам относят станы для прокатки толстолистовой и тонколистовой (рулонной) прокатки. На полосовых или штрипсовых станах производят полосу для трубосварочных агрегатов.

К трубным станам относят прошивные, раскатные станы и станы холодной прокатки труб (ХПТ), а также станы для получения сварных труб. К специальным станам относят станы для прокатки периодических гнутых профилей, шаропрокатные, колесопрокатные и др.

Основным деформирующим инструментом каждого прокатного стана являются валки, вращающиеся в подшипниках, установленных в рабочих клетях. Привод валков осуществляется электродвигателем через промежуточные передаточные механизмы и устройства. Оборудование, приводящее во вращение валки, а также воспринимающее возникающие при пластической деформации металла усилия и крутящие моменты, составляет рабочую линию клети (рис. 4.12).

11 1

Рис. 4.12. Схема главной линии четырехвалковой рабочей клети листопрокатного стана: 1 - рабочая клеть; 2 - универсальные шпиндели; 3 - электродвигатель (главный привод); 4 - шестеренная клеть; 5 - редуктор; 6 - моторная муфта; 7 - коренная муфта; 8 - пружинное уравновешивающее устройство шпинделей; 9 - опорные неприводные валки; /0-рабочие приводные валки; 11-

станина; 12 - плитовина; 13 - анкерный болт

Оборудование, входящее в рабочую линию, делят на три основных группы:

• рабочую клеть 1 с валками 9,10 и станиной 11;
• передаточные механизмы 2, 4-7;
• главный электродвигатель 3.

Рабочая клеть представляет собой две массивные станины, установленные на стальные плиты (плитовины) 12, прикрепленные к фундаменту анкерными болтами. Станина рабочей клети воспринимает все усилия, возникающие при прокатке металла, и поэтому выполняется массивной (60-120 т и более). Материал станины - стальное литье. Для сортовых станов применяют предварительно напряжённые рабочие клети, в которых повышение жёсткости достигается не увеличением массы станины, а с помощью специальных стяжных механизмов. В станинах смонтированы подушки с подшипниками и валками, а также устройства для перемещения верхнего валка по высоте и его осевой фиксации, направляющие проводки для металла и др.

Передаточные механизмы и устройства в зависимости от назначения и конструкции прокатного стана могут быть различными. На крупных станах (обжимных, толстолистовых), а также на станах, прокатывающих металл с большой скоростью, применяют индивидуальный привод рабочих валков от отдельных электродвигателей: в этом случае передаточным устройством являются универсальные шпиндели, промежуточные валы и муфты. На остальных станах предусмотрен общий привод рабочих валков от шестеренной клети 4, которая представляет собой редуктор, а роль шестерен выполняют шестеренные валки. В этом случае между электродвигателем и рабочей клетью в одну линию расположены моторная муфта 6, шестеренная клеть 4 и универсальные шпиндели.

Шпиндели - это соединительные детали, благодаря которым крутящий момент передается от шестеренной клети прокатным валкам. Концевые части шпинделей (головки) бывают различной формы; наибольшее распространение получили шпиндели с универсальными и трефовыми головками. Если угловая скорость вращения электродвигателя не соответствует скорости вращения валков, то в линии привода валков устанавливают редуктор 5 и коренную зубчатую муфту 7.

Главный электродвигатель прокатного стана имеет воздушное охлаждение, может быть постоянного и переменного тока, синхронным и асинхронным. Двигатели постоянного тока устанавливают на реверсивных станах и станах с широким диапазоном изменения числа оборотов валков, асинхронные двигатели переменного тока применяют, когда работа прокатного стана нс требует изменения числа оборотов валков в широких пределах.

Вспомогательное оборудование прокатных станов служит для подачи металла от нагревательных устройств к приёмному рольгангу стана (слитковозы), поворота слитка на рольганге (поворотные устройства), транспортирования металла (рольганги или транспортёры), перемещения металла вдоль валка для подачи его в калибр (манипуляторы), поворота металла относительно его продольной оси (кантователи), охлаждения металла (холодильники), травления металла (травильные установки), разматывания рулонов (разматыватели), сматывания полосы в рулон или проволоки в бунт (моталки), резки металла (ножницы и пилы), а также для отделки металла: правки (правильные машины и прессы), дрессировки, клеймения, укладки, промасливания, упаковки и т. д.

Автоматика крупных прокатных станов состоит из ряда локальных систем, собранных для управления всем ходом технологического процесса. Автоматизация прокатного производства начинается от подачи исходного материала на склад и со склада и кончая поступлением проката на склад готовой продукции и погрузкой его в вагоны. Каждая система имеет многочисленные и разнообразные приборы-датчики, собирающие и передающие информацию о ходе технологического процесса, в том числе о температуре металла, давлении металла на валки стана, параметрах обрабатываемого материала, в частности о размерах прокатываемого профиля, его положении и характере перемещения. Вся эта информация поступает в вычислительные машины систем, после чего выдаются команды для управления машинами и механизмами прокатного стана, относящимися к дан-

машине, объединяющей отдельные системы, для соответствующей корректировки работы машин и механизмов других участков стана, управляемых остальными системами. Одна из главных задач автоматизации (и экономически наиболее выгодная) - автоматизация регулирования размеров прокатываемого профиля, осуществляемая путём соответствующего автоматического изменения пространства между валками на основании показаний непрерывно действующего измерителя размеров профиля. Благодаря этому резко повышается точность размеров профиля, качество металла, снижаются удельные расходы металла. Особенно большой эффект достигается при производстве тонколистовой продукции.

Основным инструментом для прокатки являются валки, выполняющие основную операцию прокатки, - деформацию (обжатие) металла и придание ему требуемой формы поперечного сечения. В процессе деформации металла вращающиеся валки воспринимают давление, возникающее при прокатке, и передают это давление на подшипники. Валки прокатных станов делят на две основные группы: листовые и сортовые.

Прокатные валки листопрокатных станов имеют гладкую бочку (рис. 4.13, а), их устанавливают в клети на двух опорах, что является наиболее распространенным типом крепления валков.

Основные части валка:

• бочка - деформирующая часть валка диаметром О и длиной
• шейка - имеет диаметр с1 ш, длину / ш и служит опорным участком для установки валка в подшипниковых узлах;
• концевые участки предназначены для соединения со шпинделями и могут иметь различную конфигурацию в зависимости от конструкции шпинделя (трефы, лопасть или цилиндрическая часть).

Рис. 4.13. Прокатные валки: а - листовые; б - сортовые

Диаметр валка, которому соответствует скорость выхода раската из валков (без учета опережения), называется катающим диаметром. При прокатке металла в листовых валках катающий диаметр принимают по гладкой бочке, а для сортовых валков этот параметр определяют по формулам, включающим размеры валка и калибра. Основным параметром листопрокатного стана является длина бочки валков. Этот размер используют для обозначения марки прокатного стана. Например, марка «широкополосный стан 2500» обозначает, что данный стан имеет длину гладкой бочки 2 500 мм. Это позволит получать на данном стане плоский прокат шириной до 2 500 мм.

Бочку валков, предназначенных для горячей прокатки тонких листов, делают немного вогнутой, чтобы при прокатке горячего металла и большом разогреве средней части валков бочка их стала цилиндрической, и тогда толщина прокатанного листа будет равномерной по всей его ширине. Наоборот, бочку валков для холодной прокатки тонких листов выполняют немного выпуклой: при прокатке, вследствие большего изгиба средней части валков по сравнению с краями, бочка станет цилиндрической.

Сортовые валки (рис. 4.14, 6) служат для прокатки сортового профиля. На поверхности бочки валков есть ручьи, соответствующие профилю проката. Ручьи двух или более валков образуют калибры, поэтому валки еще называют калиброванными. Основным параметром сортового валка является его диаметр, входящий в обозначение прокатного стана. Например, стан марки «блюминг 250» предназначен для сортовой прокатки и имеет диаметр бочки валка 250 мм.

Валок (рис. 4.13) состоит из нескольких элементов: бочки (диаметром?) и длиной Т б), которая при прокатке соприкасается с металлом, шеек (диаметром с1 ш и длиной / ш), расположенных с обеих сторон бочки и опирающихся на подшипники валка; концов валка, служащих для соединения валка со шпинделем.

Основные размеры валка (диаметр и длина бочки) зависят от сортамента прокатываемой продукции. Диаметр валка для горячей прокатки составляет от 250 - 300 мм (прокатка проволоки) до 1 000-1 400 мм (прокатка блюмов и слябов). Для холодной прокатки применяют валки диаметром от 5 мм (на 20-валковых станах при прокатке фольги) до 600 мм (на четырехвалковых станах при прокатке тонких полос).

Качество валков определяет нормальную работу стана, его производительность и качество выпускаемого проката. Валки эксплуатируются в условиях непрерывного истирания их металлом при прокатке, испытывают значительные давления и иногда работают при высокой резко меняющейся температуре. Прокатные валки изготавливают из стали и чугуна. Чугунные валки характеризуются пониженной прочностью, но при этом обладают высокой износостойкостью, поэтому их применяют в основном в прсдчистовых и чистовых клетях, а иногда и в промежуточных группах клетей. Обычные стальные и чугунные валки не всегда удовлетворяют повышенным требованиям, предъявляемым к ним, поэтому возникла необходимость применять литые и кованые высокопрочные стальные валки и чугунные валки повышенной прочности. Выбор материала для валков должен учитывать тип прокатного стана. Например, при горячей прокатке на блюминге на валки действуют высокие давления и температура. Поэтому такие валки изготовляют из литой или кованой углеродистой стали с большой вязкостью. Они отличаются хорошим сопротивлением изгибающим нагрузкам, возникающим при прокатке. Твердость валков при этом не играет главной роли. Для станов холодной прокатки целесообразно использовать легированные стальные и чугунные валки, у которых поверхностный слой характеризуется большой твердостью. Так, для валков диаметром менее 300 мм применяют стали марок 9Х и 9ХР, а для валков диаметром более 300 мм - стали 9X2, 9Х2МФ, 9Х2В и др. Валки для холодной прокатки, изготовленные из стали всех марок, подвергают термической обработке (закалка, отпуск) по специальным режимам. Повышения прочности и твердости бочки валков достигают также поверхностной закалкой. Глубина слоя повышенной твердости должна быть в пределах 20-60 мм, что дает возможность при износе поверхности бочки производить большое количество перешлифовок и тем самым удлинять срок службы валка. Большую роль при прокатке играет коэффициент трения на поверхности валков. Стальные валки имеют повышенный коэффициент трения, поэтому их чаще используют в клетях, реализующих высокие обжатия. На блюмингах, слябингах и заготовочных станах для повышения коэффициента трения, а следовательно, и улучшения условий захвата металла валками применяют поверхностную накатку валков гладкими или насеченными роликами.

Инструментом для прокатки являются валки.

Прокатные валки (рис. 3.5) состоят из рабочей части или бочки 1 , опорных частей или шеек 2 и соединительной части 3 .

Прокатка листов и лент производится на валках с гладкой бочкой, имеющей цилиндрическую, слегка выпуклую или вогнутую поверхность (3.5, а ).

Сортовую прокатку производят в калиброванных валках, на бочке которых вытачивают вырезы 4 (3.5, б ). Вырез , сделанный на одном валке, называют ручьем.

Вырезы двух валков и зазор между ними образуют калибр.

Калибр может быть открытым (13.5, б ) или закрытым (13.5, в ).

Валки изготавливают из чугуна, литой и кованой углеродистой и легированной стали и твердых сплавов. Число валков, диаметр и длина бочки рабочего валка являются основными параметрами прокатного стана.

Рис. 13.5. Прокатные валки: а - с гладкой бочкой; б - ручьевые с открытым калибром; в - ручьевые с закрытым калибром; 1 - рабочая часть (бочка); 2 - опорная часть (шейка); 3 - соединительная часть; 4 - ручей верхнего валка; 5 - ручей нижнего валка; 6 – калибр.

Прокатка производится на прокатных станах. Прокатный стан (рис. 13.6 ) состоит из рабочей клети, соединительных шпинделей, шестеренной клети, муфт, редуктора, маховика, двигателя.

Рис. 3.6. Прокатный стан: 1- рабочая клеть; 2 - соединительные шпиндели; 3 – шестеренная клеть; 4, 7 – муфты; 5 – редуктор; 6 – маховик; 8 – двигатель; P – усилие прокатки.

Прессование.

Прессование - выдавливание металла из замкнутой полости через отверстие в инструменте. Основные методы:

1.прямой;

2.обратный .

Припрямом прессовании (3.7, а ) металл заготовки 3 выдавливается пуансоном 2 и пресс-шайбой 5 через отверстие матрицы 4 . При получении полого профиля прямым прессованием (3.7, б ) металл выдавливается через зазор, образованный отверстием в матрице и иглой 6 .

Приобратном прессовании усилие пресса передается через пуансон (13.7, в ) на матрицу. Матрица перемещается относительно стенок контейнера. Металл заготовки выдавливается через отверстие матрицы, образуя изделие 7 . Аналогично осуществляется обратное прессование полого профиля.

Рис. 3.7. Схемы прессования: а - прямое прессование сплошного профиля; б - прямое прессование полого профиля; в - обратное прессование сплошного профиля; 1 - контейнер; 2 - пуансон; 3 - заготовка; 4 - матрица; 5 - пресс-шайба; 6- игла; 7 - прессованное изделие; P – усилие прессования.

Припрямом прессовании направление движения пуансона и выдавливаемого металла совпадают. Отличительной особенностью прямого метода прессования является перемещение металла заготовки относительно стенок контейнера 1 . Благодаря трению о стенки контейнера центральные слои металла опережают внешние. Это явление еще больше усиливается при охлаждении внешних слоев стенками контейнера. На некотором этапе прессования по центру со стороны пуансона (пресс-шайбы) образуется воронка, через которую в центральную часть изделия втягиваются поверхностные загрязненные окислами и смазкой слои, образуя так называемую пресс-утяжину. Наличие пресс-утяжины в изделии недопустимо. Поэтому прессование на этой стадии прекращают, годное изделие отделяют, а оставшийся в контейнере металл (пресс-остаток) направляется в переплавку.

Приобратном прессовании направление движения выдавливаемого металла и пуансона противоположны. Относительное перемещение металла заготовки и стенок контейнера, следовательно, контактное трение между металлом и стенками контейнера практически отсутствует.

При обратном прессовании течение металла более равномерно, чем при прямом, из-за сокращения потерь на трение усилие меньше прессования уменьшается на 25…30%, уменьшается величина пресс-остатка, но конструктивное оформление рабочего инструмента (матрицы, пуансона) при обратном прессовании сложнее, чем при прямом.

Продукция . Прессованием получают:

1. прутки диаметром 3…250 мм,

2.проволоку диаметром 1…6 мм,

3.трубы диаметром 20...600 мм с толщиной стенки 1,0…1,5 мм и более,

4.сплошные и полые профили .

Сплавы . Прессованию подвергают цинк, олово, свинец, алюминий и алюминиевые сплавы, магний и магниевые сплавы, медь и медные сплавы, никель и никелевые сплавы, углеродистые и легированные стали, титан и титановые сплавы.

Оборудование. При прессовании наибольшее распространение получили специализированные гидравлические горизонтальные и вертикальные прессы. Вертикальные прессы с номинальным усилием до 30 МН применяют, главным образом, при производстве труб, горизонтальные прессы изготавливают с номинальным усилием до 100 МН.

Инструмент. К прессовым инструментам относятся: игла, матрица, контейнер, пресс-шайба (в порядке повышения температуры при эксплуатации). Температура заготовки на поверхности контакта с инструментом при прессовании легких сплавов достигает 500°С, меди и медных сплавов - 900°С, сталей, никеля и титана - 1250°С.

Для изготовления инструмента применяют жаропрочные штамповые стали типа 3Х2В8, 4ХВС, 5ХВС и др . Для увеличения стойкости матриц иногда применяют вставки из твердых сплавов. Большое влияние на силу прессования и стойкость матриц оказывает профиль рабочей части матрицы. Обычно применяют конические матрицы с оптимальным для данных условий углом наклона.

Прессование, как правило, производится в условиях горячей деформации.

Исходной заготовкой обычно служит слиток цилиндрической формы или многогранник, полученный непрерывным литьем, реже применяется катаная заготовка.

Перед прессованием рабочие части инструмента покрываются технологической смазкой . Применяют также плакирование (покрытие) заготовок пластичными металлами.

Преимущества прессования:

1.Возможность получения сплошных и полых профилей сложного сечения , которые не могут быть получены другими методами.

2.Переналадка пресса на новый профиль производится значительно быстрее , чем при прокатке, точность размеров профиля при прессовании выше, шероховатость поверхности меньше.

3.Возможность получения тонкостенных бесшовных труб большого диаметра с малой разностенностью.

4.Возможность обработки давлением металлов и сплавов с пониженной пластичностью (высокопрочные алюминиевые сплавы, бронзы, жаропрочные стали и сплавы и др.).

5. Возможность высоких степеней деформации (92 % по сечению и более), что обеспечивает высокие механические свойства, в том числе вибропрочность и сопротивление усталости.

Недостатки прессования:

1.Значительный износ инструмента , матриц и особенно игл, из-за больших контактных напряжений и температур, особенно при прессовании никелевых сплавов, сталей и жаропрочных сталей и сплавов

2.Высокая стоимость инструмента.

3.Неравномерность механических свойств по длине прессованного изделия из-за неравномерности течения металла.

4. Большие технологические отходы , особенно при прессовании труб большого диаметра.(при прямом методе 12…15 %, при обратном – 5…6 % от массы заготовки).

Волочение.

Волочение - процесс протягивания обрабатываемой заготовки через постепенно суживающееся отверстие инструмента (волоки).

При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, приобретая постоянное сечение по всей длине. Приложение растягивающего усилия уменьшает пластичность и ограничивает величину деформации за одну протяжку.

Рис. 3.8. Схемы волочения:

а – волочение проволоки, прутка, сплошного профиля;

б – волочение трубы на оправке;

1- заготовка; 2 – волока; 3 – оправка; 4 – обойма (бандаж); P – усилие волочения.

Продукция . Волочением получают:

1.проволоку (13.8, а ) диаметром от 6 до 0,008 мм;

2.сплошные и полые профили ;

3.трубы (13.8, б ) с наружным диаметром 1…360 мм и толщиной стенки 10...0,1 мм, имеющие точные по размерам сечения и низкую шероховатость поверхности.

Заготовку для волочения получают прокаткой или прессованием; заготовка должна иметь форму сечения, подобную форме сечения готового изделия.

Исходные материалы для волочения :

1. проволоки - проволока-катанка и прессованная проволока диаметром 5…9 мм;

2. прутков и профилей - сортовой прокат и прессованные профили диаметром 5…150 мм;

3. труб - трубы сварные диаметром 6…200 мм, бесшовные катаные диаметром 40…200 мм и прессованные диаметром 20…400 мм.

Волочение производят, как правило, в условиях холодной деформации . Волочение проволоки из вольфрама, молибдена, нихрома и цинка производят в горячем состоянии .

Особое внимание уделяется повышению пластичности исходной заготовки и снижению усилия волочения. Это достигается применением термообработки (отжига) для снятия упрочнения, высоким качеством поверхности заготовки, применением высокоэффективных смазочных материалов, оптимальным профилем и малой шероховатостью поверхности рабочих участков инструмента.

Оборудование. Волочильные станы:

1. прерывистого типа – цепные;

2. непрерывного типа – барабанные.

Инструмент . Волока из твердого сплава и алмаза (волочение тонкой проволоки).

Сплавы .

Преимущества волочения:

7.1. Типы прокатных станов

Комплекс машин и механизмов для получения изделий методом прокатки и их обработки в потоке называется прокатным станом.

Из этого определения следует, что помимо основной операции – пластического формообразования раската, на стане выполняют и ряд других.

В теории организации производства отдельные операции, необходимые для осуществления технологического процесса, подразделяют на основные сопутствующие и вспомогательные. В соответствии с этим различают основное, сопутствующее и вспомогательное оборудование.

Применительно к прокатке к основным относятся операции по осуществлению пластической деформации металла, т.е. собственно прокатку, и соответственно к основному оборудованию относят прокатную клеть, электропривод и передаточные устройства.

К сопутствующим относят операции, в процессе которых может изменяться физическое состояние и/или размеры раската, но без изменения формы и площади поперечного сечения. Это нагрев, охлаждение, порезка на мерные длины, правка, зачистка проката и пр. И соответственно оборудование: нагревательные устройства, холодильники, правильные машины, средства порезки, отделки и пр.

К вспомогательным относятся операции, при которых не изменяется ни форма, ни размеры, ни физическое состояние прокатываемого металла. Это операции и соответствующее оборудование для продольного и поперечного перемещения раскатов, (рольганги, шлепперы, грузоподъемные механизмы), их кантовки и клеймения, смотки в бунты и рулоны, обвязки проката, перевалки валков и пр. В обиходе, однако, сопутствующие и вспомогательные операции и оборудование обычно именуют вспомогательными.

Линия, на которой расположено основное оборудование, называется главной (рабочей) линией прокатного стана (рис.7.1). Основными ее элементами являются: рабочая клеть с валками (1), шпиндели с муфтами (2), шестеренная клеть (3), коренная муфта (4), редуктор (6), главная (моторная) муфта (7) и двигатель (5).

Валки (рис.7.2) состоят из бочки (1) диаметром d и длиной l, двух опорных шеек (2) и хвостовиков (3). Размеры и количество валков в клети определяют тип клети и прокатного стана. Сортовые станы характеризуются номинальным диаметром бочки валка (например, стан 280), а листовые - ее длиной (например, стан 3600). Если сортовой стан состоит из нескольких клетей с разными диаметрами валков, тип стана обычно определяют по валкам чистовой клети.

Прокатные станы классифицируют по следующим признакам: по режиму работы, по назначению, по количеству и расположению валков в клети, по количеству и расположению клетей.

По режиму работы прокатные станы делятся на нереверсивные (частота и направление вращения валков постоянные) и реверсивные (прокатку осуществляют в прямом и обратном направлении за счет изменения направления вращения валков). Ко вторым относят блюминги, слябинги, заготовочные и толстолистовые станы.

По назначению станы подразделяются на станы для производства полупродукта и станы для производства готового проката. К первым относят блюминги, слябинги, заготовочные станы. Ко вторым относят:

Рельсобалочные станы (диаметр валков 750-900 мм);

Крупносортные станы (500-700 мм);

Среднесортные станы (350-500 мм);

Мелкосортные станы (250-330 мм);

Проволочные станы (150-280 мм);

Штрипсовые станы (300-400 мм);

Толстолистовые станы (длина бочки валков до 5500 мм);

Широкополосные станы горячей прокатки (до 2500 мм);

Широкополосные станы холодной прокатки (до 2800 мм);

Универсальные полосовые станы (до 2000 мм);

Трубные станы разных типов;

Прочие станы (колесо-бандажные, осепрокатные, шаропрокатные и др.)

По количеству и расположению валков в клети различают:

Двухвалковые (дуо) клети (см. рис.1.1). Широко используют в реверсивном и нереверсивном режимах.

Трехвалковые (трио) клети, сортовые (7.3 а) и листовые (рис. 7.3 б). Используют для прокатки заготовок, сорта и листов.

Двойные двухвалковые клети (двойное дуо). Редко используют, в основном для прокатки мелкого сорта из легированных сталей (рис.7.4).

Четырехвалковые клети (кварто). Используют в основном в листовом производстве (рис.7.5). Рабочие валки (2) меньшего диаметра, опорные (1) – большего для повышения жесткости системы.

Шестивалковые клети (рис. 7.6) используются редко. Вариант расположения валков – в одной вертикальной осевой плоскости. Приводные валки рабочие.

Многовалковые клети – 12 –ти и 20-ти валковые. Используют для прокатки тончайших полос (до 2 мкм) в рулонах (рис. 7.7.- 7.8). Диаметр рабочих валков до 50 мм. Приводными являются опорные валки.

Универсальные клети – для прокатки листов кроме горизонтальных оснащают двумя вертикальными приводными валками; для прокатки широкополочных балок холостые вертикальные валки располагают в одной вертикальной плоскости с горизонтальными (рис.7.9).

По количеству и расположению клетей прокатные станы подразделяются на одно- и многоклетьевые. Одноклетьевые – блюминги, слябинги, листопрокатные, обжимо-заготовочные и пр. станы (рис.7.10).

Многоклетьевые станы – линейного типа, непрерывные, полунепрерывные и с последовательным расположением клетей.

Станы линейного типа (рис.7.11) используют для прокатки заготовок, мелко-, средне- и крупносортных профилей. Недостатком таких станов являются большие затраты ручного труда, низкие скорости прокатки и производительность. Частично этих недостатков можно избежать размещением клетей в несколько линий (рис.7.12.).

Более совершенными являются непрерывные станы с клетями, расположенными друг за другом (рис.7.13). Такие станы работают по принципу: «в каждой клети – один проход». Раскат одновременно может находиться в нескольких клетях. Поэтому необходимо соблюдать правило так называемых секундных объемов, т.е. через каждую клеть в единицу времени должно проходить одинаковое количество металла: , где V и F – скорости и площади поперечного сечения раската по клетям, соответственно. При нарушении этого условия между клетями могут возникнуть растяжение раската или петля. Поэтому в непрерывном режиме катают преимущественно простые профили.

Принцип непрерывной прокатки используют на непрерывно-заготовочных станах, средне- и мелкосортных, проволочных, штрипсовых станах, широкополосных станах горячей и холодной прокатки листов и пр.

Для прокатки более сложных профилей применяют полунепрерывные станы и станы с последовательным расположением клетей. Полунепрерывные станы используют для прокатки мелкого сорта. Они сочетают непрерывную черновую и линейную чистовую группы клетей (рис.7.14).

У станов с последовательным расположением клетей (рис.7.15) черновая группа может быть непрерывной, а последующие клети расположены друг за другом на расстоянии, превышающим длину раската. Для сокращения общей длины стана клети располагают в нескольких параллельных линиях. В этих клетях отпадает необходимость соблюдать правило секундных объемов. Такие станы используют в основном для прокатки среднего и крупного сорта.

Разновидностью таких станов является стан с шахматным расположением клетей (рис.7.16)

7.2 Основное и вспомогательное оборудование прокатных станов.

Рабочая клеть состоит из двух станин, валков с подшипниками, механизмов для установки и фиксирования положения валков в вертикальной и горизонтальной плоскостях, валковой арматуры, устройств для смазки и охлаждения валков.

Станины открытого или закрытого типов (рис.7.17) отливают из стали марки 30…35Л двутаврового или прямоугольного сечения.

Станины закрытого типа в виде цельной рамы, выдерживают большие усилия прокатки, но менее удобны в эксплуатации: затруднена перевалка валков, диаметр их ограничен шириной окна.

Прокатные валки – основной деформирующий инструмент - работают в жестких условиях: резкие теплосмены, большие давления, абразивное трение и пр. Поэтому они должны быть не только высокопрочными, но и термо- и износостойкими.

По материалу валки подразделяются на стальные (литые, кованые) и чугунные. Стальные валки обладают достаточно высокой прочностью и пластичностью, поэтому их используют в клетях, испытывающих большие усилия прокатки. Чугунные валки менее прочные, но более износостойкие, чем стальные. Поэтому чаще их используют в предчистовых и чистовых клетях.

Материалом валков служат углеродистые, низколегированные и легированные стали (Ст. 50…55, 50…60ХН, 9ХФ и др.), легированные и нелегированные чугуны (СШХН-60, ЛПХН-60 и др.). Буквы С, Л обозначают сортовые и листовые валки; Ш, П – чугун с шаровидным или пластинчатым графитом; Х, Н – легированные хромом и никелем, соответственно; 60 – твердость, единиц по Шору.

При завалке в клеть и в процессе эксплуатации положение валков необходимо регулировать. Для этого служат механизмы установки валков.

К ним относятся нажимное устройство, уравновешивающее устройство и устройство для регулирования положения валков в осевом направлении.

Нажимное устройство служит для регулирования положения валков в вертикальной плоскости. Оно состоит из гайки (фосфористая бронза), укрепленной в верхней поперечине станины, и нажимного винта (кованая сталь 40…45 ХН).

Привод нажимного винта – ручной на станах с небольшим перемещением верхнего валка (50-100 мм), электромеханический – на станах с частыми и большими

Основным инструментом для прокатки являются валки, которые в зависимости от прокатываемого профиля могут быть гладкими (рис. 3.20, а), калиброванными (ручьевыми) (рис. 3.20, б) и специальными. Гладкие валки применяют при прокатке листов, полос и т. п. На калиброванных валках прокатывают все виды сортового проката. Специальные валки используются при производстве специальных видов проката.

Валки имеют рабочую часть (бочку) 1, две шейки 2для установки в подшипниках и крестообразные концы (трефы) 3 для соединения валка с приводом (рис. 3.20).

На рабочей (боковой) поверхности калиброванных валков имеются канавки - ручьи. Совокупность ручьев пары валков называется калибром. На каждой паре валков обычно размещается несколько калибров. Калибры могут быть открытыми (рис. 3.20, в) и закрытыми (рис. 3.20, г).

Валки шейками опираются на подшипники, установленные в станине. С помощью специального нажимного механизма расстояние между валками может регулироваться. Комплект прокатных валков со станиной называют рабочей клетью. Прокатный стан состоит из одной или нескольких рабочих клетей и привода, включающего электродвигатель и передаточный механизм (рис. 3.21).

В зависимости от конструкции и расположения валков рабочие клети прокатных станов подразделяют на шесть групп (рис. 3.22): дуо, трио, кварто, многовалковые, универсальные и специальной конструкции.

Клети дуо (двухвалковые) бывают реверсивные (прокатка ведется в обе стороны) и нереверсивные (прокатка ведется в одну сторону). Клети трио (трехвалковые) чаще всего нереверсивные. Прокатка на таких станах ведется вперед между нижним и средним валком и назад между верхним и средним. Клети кварто (четырехвалковые) имеют четыре валка, расположенные друг над другом, из них два рабочих валка меньшего диаметра и два опорных - большего диаметра. Благодаря жесткости и относительно малому прогибу опорных валков на этих клетях производится холодная прокатка тонких полос и узких лент с малым допуском по толщине. Универсальные клети имеют горизонтальные и вертикальные валки: последние обеспечивают обжатие металла в поперечном направлении. Вертикальные валки располагаются, как правило, с передней стороны. К клетям специальной конструкции относятся клети прокатных станов узкого назначения: колесопрокатных, бандажепрокатных, кольцепрокатных, шаропрокатных, станов для прокатки профилей переменного сечения.

По роду выпускаемой продукции прокатные станы классифицируют на следующие основные типы: обжимные, заготовочные, рельсобалочные, сортовые, проволочные, листопрокатные, трубопрокатные и станы специального назначения.

Обжимные станы предназначены для обжатия стальных слитков в крупные заготовки. К обжимным станам относятся блюминги, производящие заготовки квадратного профиля - блюмы и слябинги, производящие прямоугольный прокат - слябы.

Заготовительные станы используют для прокатки блюмов в сортовые заготовки, преимущественно квадратного сечения, которые в дальнейшем используются для проката на сортовых станах.

Рельсо-балочные станы служат для получения из блюмов рельсов, крупных балок, швеллеров и других профилей.

Сортовые станы, применяют для изготовления сортового проката простого и фасонного профиля.

Проволочные станы предназначены для прокатки проволоки диаметром 5 … 10 мм.

Листопрокатные станы, подразделяют на толстолистовые и тонколистовые. Толстолистовые станы прокатывают лист толщиной более 6 мм. Заготовкой являются слябы.

Трубопрокатные станы применяют для производства бесшовных и сварных труб.

Специальные станы предназначены для получения заготовок специального и периодического профилей. На специальных станах прокатывают шарики, ребристые трубы, вагонные оси, зубчатые колеса и много других изделий сложной конфигурации.