Холодная прокатка листов, полос и лент

В настоящее время доля холоднокатаных листов в общей массе тонколистового проката составляет около 50 %. Производство холоднокатаных листов, полос и лент продолжает интенсивно развиваться. Основную массу (примерно 80 %) холоднокатаных листов составляет низкоуглеродистая конструкционная сталь толщиной 0,5 - 2,5 мм, длиной до 2300 мм. Такую тонколистовую сталь широко используют в автомобилестроении, поэтому часто ее называют автолистом.

Методом холодной прокатки производят почти всю жесть - продукцию, идущую в больших количествах для изготовления пищевой тары, в частности консервных банок. Материалом для жести также служит низкоуглеродистая сталь, но в большинстве случаев жесть выпускают с защитным покрытием, чаще всего - оловянным. Жесть прокатывают в виде полос толщиной 0,07-0,5 мм, шириной до 1300 мм. К числу распространенных видов холоднокатаной продукции также относятся: декапир - травленая и отожженная сталь, применяемая при производстве эмалированной посуды и других изделий с покрытиями; кровельный лист (часто выпускается оцинкованным), низколегированные конструкционные стали. Особо следует отметить две важные группы легированных сталей - коррозионностойкую (нержавеющую) и электротехническую (динамную и трансформаторную).

В цветной металлургии холодная прокатка применяется для получения тонких полос, листов и лент из алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, никеля, титана, цинка, свинца и многих других металлов. Наименьшую толщину имеет фольга. Например, алюминиевая фольга выпускается в виде полос минимальной толщиной 0,005 мм, шириной до 1000-1500 мм. Разнообразие сортамента холоднокатаной листовой продукции обеспечивается применением прокатных станов различной конструкции, с очень разными техническими характер тиками и уровнями производительности.

2. Исходная заготовка и ее подготовка к прокатке

При производстве прокатных изделий исходным материалом служат слитки и заготовки. Наиболее удобны при прокатке, нагреве и транспортировке слитки и заготовки квадратного и прямоугольного сечений. Поэтому для производства сортового проката чаще всего используют слитки и заготовки квадратного и близких к нему сечений, для прокатки листа - прямоугольного сечения. Производство бесшовных труб может выполняться непосредственно из слитков и заготовок круглого сечения. По высоте слиткам придают некоторую конусность, значение которой принимается в зависимости от вида стали и способа разливки, формы поперечного сечения слитка и его назначения. Так, слитки из углеродистых и низколегированных сталей отливают с конусностью менее 3 %, из высоколегированных сталей - с конусностью 3 - 6 %.

Масса и форма слитка определяются видом материала, типом и конструкцией прокатного стана, сортаментом получаемых изделий и пр. На заготовочных станах прокатывают слитки массой до 1500 кг, на блюмингах - 3 -10 т и выше, на слябингах - 8 - 25 т. для специальных видов производства применяют и более крупные слитки. При прокатке цветных металлов размеры слитков могут существенно различаться. Например, слитки алюминиевых сплавов (Д1, Д16, АМг3 11 др.), получаемые полунепрерывным литьем, имеют массу 1,4 - 7,45 т.

Качество самого слитка существенно влияет на свойства прокатных изделий. Слиток считается качественным, если усадочная раковина, рыхлость, ликвация, макроструктура, газовые пузыри, неметаллические включения и другие внутренние пороки находятся в допустимых пределах, а поверхностные дефекты (трещины, плёны, завороты и пр.) отсутствуют. Практикой установлено, что получение стального слитка с высокими качественными показателями тем труднее, чем больше масса слитка и выше степень легирования металла. Это объясняется тем, что, во-первых, с увеличением массы слитка возрастают несовершенства технологического процесса разливки, которые приводят к появлению поверхностных дефектов, во-вторых, большая масса слитка создает менее благоприятные условия его кристаллизации из жидкой фазы, что приводит к химической и структурной неоднородности, нарушению целостности (усадочные раковины, пористость, внутренние трещины). Строение слитка, его плотность, неравномерность механических свойств по сечению, неметаллические включения и газонасыщенность оказывают существенное влияние на свойства готового проката. Поэтому в цехах, производящих слитки, непрерывно совершенствуются и внедряются новые технологические процессы, способствующие уменьшению дефектов слитка. Так, весьма эффективные результаты дает разливка металла в вакууме. При этом заметно снижается его загрязнение неметаллическими включениями (в 2 - 5 раз), к лучшему изменяются состав этих включений и распределение их по сечению слитка, уменьшается содержание газа в стали, особенно водорода.

Существенно улучшается качество стали при рафинировании синтетическими шлаками. При этом снижается содержание серы (в 2 -3 раза), кислорода (на 30 - 50%), неметаллических включений (в 2 -4 раза), уменьшается пораженность волосовинами (в 5 -10 раз), повышается ударная вязкость, уменьшается склонность к хрупкому разрушению. Эффективным средством от окисления металла при разливке является защита струи инертными газами, например аргоном. Защитная атмосфера снижает содержание кислорода (в 1,5 - 1,8 раза) и неметаллических включений в стали. Слиток становится более плотным, улучшаются его пластические свойства. Все это повышает качество проката. Для ответственных изделий из некоторых сталей (шарикоподшипниковая, трансформаторная и др.) слитки массой до 10 т изготовляют электрошлаковым переплавом, что обеспечивает высокую плотность слитка и низкое содержание неметаллических включений и газов. Изделия из такого металла обладают высокими эксплуатационными показателями.

Однако полностью избежать появления дефектов слитков не удается. Поэтому перед нагревом слитки следует осматривать, а поверхностные дефекты удалять. К сожалению, такая возможность существует не всегда. Надо помнить, что на металлургических заводах до 90 -95 % слитков сразу после разливки в горячем состоянии поступают в нагревательные колодцы или печи, что практически исключает возможность тщательного осмотра слитков. Кроме того, близкозалегающие подкорковые пузыри, и неметаллические включения проявляются лишь в процессе прокатки и могут быть обнаружены только на заготовках. Поэтому технологическая схема производства проката «слиток - полупродукт - готовый прокат» в данном случае является весьма целесообразной, так как дефекты слитка, в том числе и трудно обнаруживаемые, выявляются на полупродукте и могут быть удалены. Это гарантирует получение прокатных изделий с необходимыми качественными показателями их поверхности.

Полупродукт или заготовка служит исходным материалом при производстве различных изделий на станах, производящих готовый прокат. К полупродукту относятся следующие виды проката:

1. Блюмы - заготовки квадратного или близкого к нему сечения, получаемые на блюминге или непрерывной разливкой. Сечения блюмов принимаются в пределах 400х400 -150х 150 мм. При этом следует иметь в виду, что на ряде блюмингов получают фасонную (чаще всего разрезную) заготовку для прокатки крупных балок, швеллеров и других профилей.

2. Слябы - заготовки прямоугольного сечения, получаемые на слябинге, блюминге или непрерывной разливкой. Слябы имеют толщину от 50 до 300 мм, а ширину от 500 до 1800 мм и более.

3. 3аготовка - полупродукт квадратного или близкого к нему сечения размером от 150х 150 до 50х50 мм. Этот вид полупродукта прокатывают на заготовочных станах и получают непрерывной разливкой, а в некоторых случаях при обработке легированных сталей и сплавов - ковкой.

4. Сутунка - листовая заготовка для прокатки листов штучным способом; имеет толщину от 6 до 50 мм и ширину от 150 до 500 мм.

Подготовка заготовок к прокатке заключается в удалении имеющихся на поверхности дефектов: плён, волосовин, трещин, неметаллических включений, закатов, подрезов, царапин. Все это выявляется тщательным осмотром заготовок. При производстве легированных сталей, чтобы вскрыть и обнаружить невидимые из-за слоя окалины дефекты поверхности, производят травление металла в растворах кислот или очистку поверхности другим способом.

Необходимость удаления поверхностных дефектов на заготовках вызывается тем обстоятельством, что они, как правило, не устраняются в процессе последующей прокатки, а переходят на готовый продукт. Удаление дефектов, т. е. зачистка исходных материалов, полностью окупается увеличением выхода годных прокатных изделий. Поэтому на металлургических заводах до 70% заготовок из углеродистых сталей и до 100% из легированных подвергают зачистке. Удаление поверхностных дефектов на заготовках представляет собой весьма трудоемкую операцию. Поэтому на ряде металлургических заводов создают специальные участки подготовки металла к прокатке, где обычно занято от 40 до 80% рабочих прокатного цеха.

Удаление поверхностных дефектов осуществляется различными способами в зависимости от вида зачищаемого дефекта, назначения и химического состава зачищаемого металла, стадий прокатного предела и др.

Вырубка пневматическим зубилом выполняется с использованием пневматических молотков различных типов. Удаление дефектов производится в направлении оси заготовки, так как при поперечной вырубке такие дефекты, как трещины, зачеканиваются и становятся невидимыми. Канавка, получаемая при вырубке, должна быть достаточно пологой, а отношение ширины к глубине канавки принимается не менее 6. Меньшее соотношение ведет к появлению в процессе последующей прокатки складок и закатов на готовом изделии. Данный способ зачистки металла малопроизводителен, требует значительной затраты физического труда. Однако он продолжает использоваться на металлургических заводах при выборочной зачистке дефектов, снятии заусенцев.

Зачистка абразивными кругами с различными размером зерна и твердостью применяется при удалении сравнительно мелких дефектов с поверхности металла, а также более крупных дефектов на стали, имеющей повышенную твердость. Обычно сталь повышенной твердости зачищают сравнительно мягкими кругами, что предохраняет их от «засаливания», так как затупленные зерна своевременно выкрашиваются и обнажаются новые более острые. При зачистке стали пониженной твердости используют более твердые круги, так как в данном случае необходимо иметь одновременный износ абразивного вещества и бакелитовой связки.

Удаление поверхностных дефектов наждачными кругами производится в поперечном направлении, так как обнаружить трещины и волосовины при продольной чистке, т. е. в направлении залегания самого дефекта, значительно труднее.

Следует иметь в виду, что зачистка наждачными кругами при большой стружке может служить причиной появления так называемых шлифовальных трещин. Это явление происходит из-за значительного местного разогрева зачищаемого участка металла и затем интенсивного охлаждения его вследствие отвода теплоты в остальную массу металла, т. е. в результате действия термических напряжений.

Зачистка металла абразивными кругами применяется в основном при производстве легированных дорогостоящих сталей, так как только в этом случае данный способ удаления поверхностных дефектов становится экономически целесообразным. Сам процесс зачистки малопроизводителен, трудоемок и требует все в большей мере применения механизированных станков, которые устраняют тяжелый ручной труд и позволяют использовать круги большей массы, что значительно повышает производительность зачистки.

Огневая зачистка сводится к выжиганию металла вблизи поверхностного дефекта пламенем газокислородной смеси, при этом удаляется и сам дефект. В качестве горючих газов используют ацетилен, коксовальный и природный газ, пропан.

Сам процесс зачистки складывается из двух последовательных операций: нагрева металла до температуры воспламенения и сжигания места дефекта в струе кислорода. При этом за доли секунды на поверхности металла температура повышается до 2500 - 3100⁰С, интенсивно понижаясь при удалении от поверхности. Чтобы избежать появления опасных термических напряжений, огневую зачистку производят на металле в подогретом состоянии, обычно до 250 - 600 ^ОС в зависимости от склонности стали к образованию термических трещин.

Огневую зачистку выполняют ручным и машинным способами. Ручная зачистка с помощью газокислородных резаков, хотя и менее производительная, позволяет выборочно удалять поверхностные дефекты. Скорость ручной зачистки обычно составляет 15 - 18 м/мин. Один рабочий огневой зачистки заменяет, по крайней мере, 15 вырубщиков, удаляющих дефекты пневматическими молотками.

Машинная огневая зачистка металла выполняется как в потоке непосредственно на рольганге за блюмингом или слябингом, когда металл имеет еще высокую температуру, так и на складе. Машина огневой зачистки в потоке устанавливается на пути движения металла к ножницам. В зависимости от сортамента и состояния поверхности раската наружный слой глубиной 0,5 - 3,5 мм сжигается по всей поверхности. После такой зачистки блюмы и слябы могут, минуя сортировку на складе, подаваться горячими в печи для подогрева до температур последующей прокатки. Это значительно сокращает штаты склада заготовок и площади, занятые под складские помещения.

Существующие машины огневой зачистки в технологическом потоке и автоматическом режиме обеспечивают 100%-ную зачистку металла после блюмингов и слябингов. Их производительность 4 - 6 млн. т/год. Обычно скорость зачистки блюмов составляет 0,3 - 0,5 м/с, слябов - 0,4 - 0,75 м/с.

На ряде заводов установлены машины для зачистки горячего металла в технологическом, потоке фрезами, которые обеспечивают высокую производительность и достаточно качественную зачистку одновременно всех сторон полупродукта.

Кроме рассмотренных способов удаления поверхностных дефектов со слитков и заготовок применяют и другие, например обточку на специальных токарных станках, строжку, фрезерование в холодном и подогретом состоянии. Эти дорогостоящие способы зачистки поверхности полупродукта применяются при получении сортового проката листов и труб из жаропрочных, нержавеющих и других высоколегированных сталей, в технологическом отношении очень сложных, к качеству поверхности которых предъявляются весьма высокие требования.

При пластической обработке цветных металлов подготовке слитков и заготовок уделяется также весьма серьезное внимание, причем помимо зачистки поверхности иногда применяют предварительную термическую обработку. Так, например, перед прокаткой слябы алюминиевых сплавов (типа Д16, В95), получаемых полу непрерывным литьем, подвергают гомогенизирующему отжигу, проглаживают на двухвалковом стане с небольшими обжатиями для выравнивания основных граней, правят в горячем состоянии на роликоправильной машине, подвергают горячей резке на необходимые длины и фрезеруют. Часто перед окончательной прокаткой слябов на листы их плакируют чистым алюминием так, что листовой дюралюминий имеет плакирующий слой на каждой стороне, который составляет 2 - 4 % общей толщины листа. Плакирование выполняется в процессе горячей прокатки фрезерованного сляба, покрытого с обеих сторон листами чистого алюминия.

3. Типы станов холодной прокатки

Прокатным станом называют комплекс машин и агрегатов, предназначенных для осуществления процесса прокатки металла, дальнейшей его обработки (правки, резки) и транспортирования.

Оборудование прокатного стана можно подразделить на 2 группы - основное, расположенное в рабочей линии стана, и вспомогательное, служащее для транспортирования и отделки прокатываемой полосы. Рабочая линия состоит из рабочей клети и линии привода, включающей в общем случае двигатель, редуктор, шестеренную клеть и соединительные детали. Число клетей прокатного стана зависит от его назначения и у некоторых станов достигает нескольких десятков. Каждая клеть может иметь свою линию привода.

3.1.1 Рабочая клеть

Прокатные валки установлены в рабочей клети, которая воспринимает давление прокатки. По числу валков различают двух-, трех- и четырех - валковые (горизонтальные) клети. Существуют так же многовалковые клети (до 20 валков). Если направление вращения валков может изменяться в процессе прокатки, клеть называют реверсивной. Если валки вращаются в одном направлении, клеть нереверсивная. Рабочие клети, имеющие горизонтальные и вертикальные валки называют универсальными.

3.1.2 Шестеренная клеть

Для распределения крутящего момента одного двигателя между несколькими рабочими валками служит шестеренная клеть. Это - редуктор, передаточное отношение которого равно единице, а роль шестерен выполняют шестеренные валки. Соединительные детали, посредством которых крутящий момент передается от шестеренной клети прокатным валкам, называют шпинделями. Концевые части шпинделей (головки) бывают различной формы; наибольшее распространение получили шпиндели с универсальными и трефовыми головками. В основу конструкции универсальных шпинделей положен принцип шарнира Гука, поэтому шпиндели могут передавать вращение и крутящий момент под углом наклона до 8-10 градусов. Благодаря шарнирной конструкции универсальные шпиндели могут работать плавно; вместе с тем они позволяют передавать большие крутящие моменты, поэтому их применяют для привода валков как листовых и сортовых станов, так и для обжимных, толстолистовых и заготовочных станов.

3.1.3 Двигатель и редуктор

Применяют электродвигатели постоянного и переменного тока синхронные и асинхронные. Двигатели постоянного тока устанавливают на реверсивных станах и станах с широким диапазоном изменения числа оборотов валков, асинхронные двигатели переменного тока применяют, когда для работы прокатного стана не требуется изменение числа оборотов валков в широких пределах. Асинхронные двигатели с регулированием числа оборотов можно также применять аналогично двигателям постоянного тока, а синхронные двигатели переменного тока - на станах с постоянным оборотом валков.

3.1.4 Прокатные валки

Прокатные валки листопрокатных станов имеют гладкую бочку. Их устанавливают в клети на двух опорах (наиболее распространенные тип крепления валков). Основные части валка:

· Бочка - деформирующая часть валка;

· Шейка - служит опорными участками для установки валка в подшипниковых узлах;

· Концевые участки - предназначены для соединения со шпинделями и могут иметь различную конфигурацию в зависимости от конструкции шпинделя.

3.2 Типы станов холодной прокатки