Технология прокатки включает:

• Подготовку слитков и заготовок к прокатке;
• Определение режима нагрева в зависимости от химического состава стали и сечения заготовки;
• Определение режима деформации (калибровка);
• Вопросы охлаждения стали после прокатки;
• Пооперационный и конечный контроль качества проката.

В процессе разливки стали в изложницы, нагрева и прокатки слитков и заготовок образуются поверхностные дефекты, которые должны быть удалены. Основными поверхностными дефектами слитков являются плены, образующиеся в результате разбрызгивания стали при разливке, трещины.

Поверхностные дефекты удаляют до (первый вариант) или после (второй вариант) прокатки.

Слитки, охлажденные перед посадкой в нагревательные колодцы, осматривают, и обнаруженные поверхностные дефекты удаляются.

С поверхности слитков, поступающих горячими для посадки в нагревательные колодцы, дефекты не удаляют перед прокаткой.

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству поверхности готового проката, принимают первый или второй вариант.

Глубина поверхностных дефектов на заготовках составляет 2-3 мм, и дефектный слой подлежит выборочному или сплошному удалению.

Применяют следующие способы удаления поверхностных дефектов:

• Сжигание на определенную глубину дефектного поверхностного слоя;
• Строжку, обдирку на токарных станках;
• Вырубку пневматическими зубилами и специальными машинами;
• Зачистку наждаками.

Для сжигания дефектного поверхностного слоя применяют автогенные резаки при выборочном удалении дефектов и машины огневой зачистки при сплошном удалении дефектной поверхности.

Как указывалось выше, основная масса слитков поступает в нагревательные колодцы в горячем состоянии, и, следовательно, перед прокаткой поверхностные дефекты удалить невозможно. В связи с этим современные обжимные прокатные станы оборудуют машинами огневой зачистки для сплошного удаления дефектов в потоке.

После окончания прокатки заготовки в горячем состоянии подаются в машины огневой зачистки, в которых одновременно со всех сторон газорежущими блоками cжигается слой металла толщиной 1,5-2,5 мм.

Подготовка широкополосной заготовки перед холодной прокаткой заключается в удалении окалины, образовавшейся на поверхности металла. Удаление окалины с поверхности полос углеродистых сталей осуществляется в растворе серной кислоты. Активный процесс растворения окалины происходит при содержании серной кислоты 26 % и температуре раствора ~ 95°С.

Травление горячекатаной широкополосной стали производят в непрерывных травильных агрегатах. Катанку и сортовой металл, предназначенный для дальнейшего волочения, травят в специальных баках.

Калибровка валков

Калибровкой решаются следующие задачи:

• Установление числа пропусков;
• Установление формы и размеров поперечного сечения полосы после каждого пропуска;
• Последовательность чередования форм полосы.

Прокаткой получают простые (круг, квадрат, полоса и др.) и сложные (рельсы, балки, уголки и др.) по форме виды проката.

Прокатка сортовой и листовой стали производится при большем или меньшем числе пропусков через валки.

При каждом пропуске через валки уменьшается площадь поперечного сечения полос и при необходимости придается грубая форма конечному прокату.

Прокатка листов и широкополосной стали производится на гладкой бочке валка. Калибровкой листовых валков определяется профиль образующей бочки.

При горячей прокатке бочка валков выполняется вогнутой, при холодной — выпуклой. Вогнутость компенсирует тепловое расширение бочки валка, выпуклость — прогиб валка от усилия прокатки.

Для получения необходимой формы проката на бочке валков сортовых прокатных станов нарезаются на вальцетокарных станках кольцевые проточки различной формы.

Кольцевая проточка на одном валке называется ручьем. Ручьи двух валков образуют калибр.

Форма калибров, используемая для получения проката простой формы, — квадрата, круга, показана на рис. 1 (в, е, ж).

Овальные калибры применяют в сочетании с квадратными и круглыми калибрами (рис. 1, 6, в и др.), ромбические калибры — в сочетании с квадратными калибрами (рис. 1, д).

Прямоугольные (ящичные) калибры (I, II) используют для вытяжки металла на блюмингах, непрерывных заготовочных станах и черновых клетях сортовых станов.

Рис. 1. Схема калибровки валков мелкосортного стана 250

В зависимости от назначения различают четыре группы калибров:

1. Вытяжные, служат для уменьшения площади поперечного сечения;
2. Подготовительные, производят дальнейшее уменьшение площади поперечного сечения и придают полосе грубую форму готового проката;
3. Предчистовые, производят дальнейшее уменьшение площади поперечного сечения и подготавливают получение конечной формы проката;
4. Чистовые, придают полосе окончательную форму.

Прокатка сортовой и листовой стали производится в несколько пропусков через валки. Распределение обжатий по пропускам производится с учетом усилия на валки, мощности главного электродвигателя, прочности деталей рабочей клети, условий захвата металла валками, пластичности металла.

При прокатке литого металла обжатие в первых проходах принимают небольшим, так как пластичность металла низка вследствие крупнозернистого строения. С учетом изложенных факторов добиваются возможно минимального числа пропусков. На рис. 1 схематично представлена калибровка валков мелкосортного стана 250.

В зависимости от площади поперечного сечения готового проката квадратная заготовка получает обжатие во всех 12 клетях (рис. 1, б, е), или только в восьми клетях при прокатке заготовки диаметром диаметром 18-19 мм (X, в). На валках первых двух клетей нарезаны ящичные калибры. На валках рабочих клетей III, IV, V, VI нарезаны ручьи калибров системы овал — квадрат.

На валках предчистовых и чистовых рабочих клетей нарезаны ручьи калибров, предназначенных для подготовки и получения круглого, квадратного и углового профилей.

Контроль технологического процесса

В процессе металлургического производства осуществляется плавочный контроль, контроль производственных процессов, а также готовой продукции. Плавочным контролем устанавливается соответствие слитков данной плавки техническим условиям: определяется качество стали, соответствие качества стали для проката определенной продукции. На основании результатов плавочного контроля назначается технология прокатки слитков данной плавки.

Контроль производственных процессов осуществляется на участках:

• Складирования слитков, заготовок;
• Нагрева перед прокаткой;
• Прокатки слитков на заготовку и заготовки на готовую продукцию;
• Резки, правки заготовок и готового проката;
• Охлаждения после горячей прокатки и термической обработки;
• Отделки, маркировки и сдачи готового проката.

Контроль производственных процессов осуществляется на основании технологических инструкций каждого участка.

Контроль готовой продукции устанавливает соответствие готового проката требованиям ГОСТа или техническим условиям: по физическим и механическим свойствам, по внутренним и поверхностным дефектам, по размерам и прямолинейности (плоскостности) проката и др.

Технологические схемы прокатного производства на металлургическом заводе

В зависимости от исходного материала на металлургических заводах применяют две схемы производства проката (рис. 2). При использовании в качестве исходного материала слитков 1 в технологической схеме предусматривается участок нагревательных колодцев и обжимного стана — блюминга или слябинга 2, 3.

Рис. 2. Схема производства проката

При использовании в качестве исходного материала блюмов или слябов технологический процесс начинается с заготовочных станов — непрерывного заготовочного стана 4 при сортовой прокатке или широкополосного стана горячей прокатки 5 при листовой прокатке.

Последующие технологические операции получения проката одинаковы для обеих схем. При производстве сортового проката заготовка поступает на крупносортные и среднесортные 9 станы, мелкосортные, проволочные 6 и штрипсовые 7 станы. Непосредственно из блюмов производится прокатка на рельсо-балочных и крупносортных станах 8. При листовом производстве заготовка поступает на одно- и многоклетевые станы холодной прокатки 10. На толстолистовых станах в качестве исходного материала используют слитки и слябы.

Производство блюмов

Блюмом называется квадратная заготовка со скругленными углами сечением до 400×400 мм.

В зависимости от сортамента блюмов, требуемой производительности применяют одноклетьевые двухвалковые реверсивные и многоклетьевые блюминги.

Рис. 3. План расположения оборудования блюминга 1300

Наибольшее распространение получили одноклетьевые блюминги.

Современным обжимным станом является мощный автоматизированный одноклетьевой блюминг с диаметром валков 1300-1500 мм. На рис. 3 показана схема расположения оборудования блюминга 1300. Слитки из сталеплавильного цеха подаются в пролет нагревательных колодцев 1 на платформах по железнодорожным путям. Нагретые до температуры прокатки слитки массой 10-15 т мостовым краном с клещевым захватом извлекаются из нагревательных колодцев и передаются на платформу слитковоза 2. Четыре слитковоза, непрерывно двигаясь по кольцевому пути, попеременно подходят к приемному рольгангу 3 блюминга. Очередной слитковоз автоматически останавливается параллельно приемному рольгангу, и слиток сталивается на ролики рольганга стационарным сталкивателем реечного типа. Подводящим и раскатным рольгангами 4 слиток транспортируется к рабочей клети блюминга. В линии подводящего рольганга установлен поворотный стол — весы, которым слиток автоматически взвешивается и при необходимости поворачивается в горизонтальной плоскости на 180°. Роликами рабочего рольганга слиток подводится к валкам рабочей клети 5.

Рис. 4. Калибровка валков блюминга

Рабочая клеть блюминга 1300 состоит из двух массивных стальных станин массой 105 т каждая. В узле станин на текстолитовых подшипниках смонтированы валки диаметром 1300 мм и длиной бочки 2800 мм, изготовленные ковкой из хромоникелевой стали. Установка зазора между валками обеспечивается винтовым нажимным механизмом с электромеханическим приводом, уравновешивание верхнего валка с подушками осуществляется рычажно-грузовым механизмом. Каждый валок приводится во вращение электродвигателем постоянного тока МП-110-65 мощностью 6800 кВт, 0—60—90 об/мин через универсальные шпиндели с вкладышами скольжения.

На рис. 4 показана калибровка валков блюминга. Прокатка слитка производится в первом широком калибре. По мере уменьшения сечения раскат передается в ящичные калибры II, III, IV (см. рис. 4). Если на блюминге прокатывают небольшое количество слябов, то первый калибр выполняют посередине валка для равномерного распределения усилия прокатки на левый и: правый подшипники. Заданную ширину (до 1000 мм) обеспечивают пропуском сляба на ребро через ящичные калибры. За 9-13 пропусков через валки слитки прокатываются в блюмы сечением 300×300—370×370 мм.

Кантовка раскатов перед нечетными пропусками и установка их по длине бочки валка против нужного калибра обеспечиваются крюковым кантователем, встроенным в линейку манипулятора, и манипуляторами, установленными с обеих сторон рабочей клети. Окалина, образовавшаяся на поверхности слитка в процессе нагрева, разрушается при первых пропусках через валки с небольшим обжатием и смывается водой. Под рабочей клетью имеется канал, по которому окалина потоком воды транспортируется в отстойную яму 6 (см. рис. 3). Прокатанные блюмы поступают на машину огневой зачистки 7, установленную после рабочей клети, и транспортным рольгангом передаются на участок ножниц 8.

На ножницах производится обрезь переднего и заднего концов блюма для удаления усадочной раковины и дефектных концевых участков, а также резка блюма на мерные длины. Обрезь при прокатке углеродистой кипящей стали составляет 3-5 %, при прокатке спокойной стали — до 17,5% от массы слитка. Обрезанные части блюмов попадают на конвейер, которым загружаются железнодорожные платформы.

Для исключения пересортицы производится клеймение блюмов и обрези. Зачищенные и обрезанные блюмы по рольгангу 9 поступают для дальнейшей прокатки на непрерывный заготовочный стан. На блюминге 1300 возможна прокатка слябов толщиной 100-200 мм и шириной до 1000 мм. Годовая производительность автоматизированного блюминга 1300 составляет 5,5-6 млн. т слитков. При специализированном листовом производстве в качестве обжимного стана устанавливается слябинг с диаметром валков 1150— 1250 мм. В рабочей клети слябинга предусмотрены вертикальные валки, которые обеспечивают обжатие по ширине. На слябинге прокатывают слитки массой до 30 т в слябы толщиной 150-300 мм и шириной 1000— 1550 мм. Производительность слябинга составляет 6,5 млн. т слитков в год.

Производство заготовок

Заготовочные станы предназначены для прокатки блюмов в заготовки сортовых, проволочных и трубопрокатных станов. В зависимости от специализации заготовочные станы прокатывают из блюмов сечением ЗООx300—370×370 мм: крупную сортовую заготовку квадратного сечения от 125×125 до 140×140 мм и блюмы сечением 200×200 мм; сортовую квадратную заготовку сечением от 80×80 до 120×120 мм; круглую заготовку диаметром 75-300 мм для трубопрокатных станов.

На рис. 5 показана схема расположения оборудования непрерывного заготовочного стана (НЗС) 900/700/500.
Блюмы без подогрева поступают на НЗС по рольгангу 1. НЗС состоит из трех групп рабочих клетей.

Рис. 5. План расположения оборудования НЗС 900/700/500

Номинальный диаметр валков по группам рабочих клетей равен: I — 900 мм, II — 700 мм и III — 500 мм. Перед II к III группами рабочих клетей установлены кантователи 2 и 6. В линии отводящего рольганга 3 установлены ножницы усилием 8 МН для резания заготовок сечением 120×120 мм. После третьей группы рабочих клетей заготовки сечением 60×60—80×80 мм поступают на холодильник 5. Как следует из рассмотренной схемы технологического процесса прокатки заготовки на НЗС 900/700/500, в каждой группе рабочих клетей прокатка осуществляется по принципу непрерывного процесса, и поэтому необходимо добиваться постоянства секундных объемов металла в группах клетей.

При калибровке валков НЗС определяется постоянная калибровки: C=FD p n(1+S h), где F — площадь поперечного сечения прокатываемой полосы; D p — рабочий диаметр валков; n — число оборотов валков; S h — опережение металлом валков.

Прокатка в непрерывных группах рабочих клетей без подпора или большого натяжения возможна только при равенстве постоянной калибровки всех клетей в каждой группе НЗС. Расстояние между группами рабочих клетей принимается несколько большим, чем длина раската, выходящего из последней клети предыдущей группы НЗС, и добиваться постоянства между группами клетей не требуется.

Регулирование постоянной калибровки осуществляют изменением числа оборотов валков. Гибкая регулировка числа оборотов валков обеспечивается индивидуальным приводом каждой рабочей клети. За последней клетью НЗС установлены летучие ножницы 4, которыми заготовки режутся на мерные длины 8-12 м.

Скорость выхода заготовок из третьей группы НЗС 5-7 м/с. Разрезанные заготовки собираются в пачки на пакетирующем рольганге и передаются на холодильники стана.

После остывания заготовки осматривают, производят удаление дефектов поверхности.

Годовая производительность НЗС 900/700/500 составляет ~ 5 млн. т.

На сортовых прокатных станах получают профили круглого сечения диаметром до 220 мм, квадратного сечения со стороной квадрата от 8 до 220 мм, прямоугольного сечения высотой от 4 до 60 мм и шириной от 12 до 350 мм, равнобокие и неравнобокие уголки с шириной полки от 16 до 250 мм, балки и швеллеры высотой до 300 мм, катанку диаметром 5-9 мм. Швеллеры и балки высотой до 600 мм прокатывают на рельсо-балочных станах и на специальных балочных прокатных станах высотой до 1000 мм, шириной полок до 420 мм.

В сочетании со свободной прокаткой (по свободным размерам) это позволило повысить гибкость производственного процесса. Внедрение непрерывного литья балочных заготовок с размерами, близкими к размерам готового профиля, внесло заметные изменения в процесс производства крупносортного проката. Число проходов при прокатке уменьшилось, прокатные станы снизили свои габариты, процесс прокатки упростился, его экономические показатели улучшились, а энергопотребление сократилось. Кроме того, при прокатке рельсов и балок такие мероприятия, как контроль температурного режима и охлаждение профилей, а при прокатке рельсов также и возможность их упрочнения в линии стана, привели к повышению качества продукции.

Комбинированные мелкосортно-проволочные прокатные станы

На протяжении последних 25 лет максимальная скорость проката на выходе из станов для прокатки катанки возросла с 80 м/с до 120 м/с в результате совершенствования технологии, стимулированного требованиями увеличения производительности. Важнейшим шагом на этом пути, сопровождаемым повышением призводственной гибкости и размерной точности проката, стало внедрение процесса термомеханической прокатки.

Кроме того, масса бунтов катанки увеличилась до 2 т и более. Еще одним направлением совершенствования процесса прокатки катанки было расширение использования непрерывнолитых заготовок. Так как, исходя из металлургических соображений, желательно использовать заготовки максимального поперечного сечения, то даже при минимальной скорости на входе прокатного стана в этом случае требуется повысить скорость на выходе.

Совершенствование процесса за последние 25 лет позволило проводить охлаждение отдельных ниток проката в линии стана и реализовать термомеханическую прокатку катанки, а в результате получать продукцию, более ориентированную на требования заказчиков, т. е. достигать и контролировать требуемые механические свойства продукции уже на стадии горячей прокатки.

Тенденции современного рынка, особенно, рынка высококачественных сталей, проявляются в уменьшении спектра размеров готовой продукции в сортаменте стана и в большем разнообразии марок стали. Для соответствия этим тенденциям необходимо применять различные стратегии прокатки. Производительность прокатного стана в значительной степени зависит от продолжительности процесса переналадки, обусловленного переходом на прокатку другого готового размера или при изменении марки прокатываемой стали.

Мультилинейная технология прокатки. Данная технология, применяемая с целью повышения производительности и производственной гибкости станов для прокатки высококачественной катанки, позволяет использовать стандартизованную калибровку валков, вплоть до чистовых блоков (рис. 1). Это исключает простои обжимных клетей, клетей промежуточной группы и чистовых блоков мелкосортнопроволочного стана, наблюдаемые в традиционных цехах при переналадке стана, связанной с переходом на прокатку другого размера.

Рис. 1. Мультилинейная технология прокатки с использованием петлевого устройства: варианты прокатки на мелкосортно-проволочном стане фирмы Acominas, Бразилия

Основой концепции является комбинация из петлевого устройства, восьмиклетевой блочной группы и блока FRS (FlexibleReducingandSizing) с четырьмя клетями и устройством для быстрой перевалки (рис. 2).

Рис. 2. Блок FRS

Устройство для быстрой перевалки блока FRS позволяет выполнить переход на прокатку другого размера за 5 мин. Так как после перевалки для настройки требуется минимальное время, можно составить гибкую программу прокатки продукции разных размеров из различных марок стали.

Новая концепция прокатного стана обеспечивает также возможность перехода от традиционной прокатки к термомеханической путем простого нажатия кнопки на пульте управления. Выбор маршрута прокатки и направление прокатываемого металла по маршруту, оборудованному выдвижными устройствами для охлаждения и выравнивания температуры (см. рис. 1), позволяет перейти на другой размер проката или другую марку стали в соответствии с принятой стратегией прокатки без вмешательства операторов и без какой-либо настройки оборудования вручную. Эта концепция предполагает также значительное сокращение простоев оборудования .

Общую концепцию дополняет технологическая система контролируемого охлаждения ССТ (Controlled Cooling Technology), которая позволяет моделировать температурные условия прокатки, формирование микроструктуры и требуемые механические свойства. Только после завершения моделирования начинают реальный процесс прокатки с регулированием его параметров в линии стана и автоматическим регулированием режима охлаждения в секциях холодильников .

Для выполнения требований, связанных с ужесточением допусков на размеры горячекатаных профилей и катанки, отказались от трех- и четырехниточной прокатки и вернулись к прокатным станам максимум с двумя нитками, которые разделяются на чистовые однониточные линии как можно раньше по ходу процесса.

В последние несколько лет отмечено также более широкое использование прецизионных систем прокатки с целью получения еще более жестких допусков на размеры сортового проката и катанки.

Гидравлические системы регулирования размеров поперечного сечения проката. На сортовых станах применяют гидравлические системы регулирования размеров, например систему автоматизированного контроля ASC (Automatic Size Control), разработанную в дополнение к механическим системам прецизионного контроля размеров. Эти системы (рис. 3) используют только две клети в станах с чередующимися вертикальными и горизонтальными клетями и позволяют прокатывать весь сортамент продукции (круглые, плоские, квадратные, шестигранные и угловые профили) с допусками, соответствующими 1/4 стандарта DIN 1013.

Рис. 3. Прецизионная система ASC регулирования размеров сортового проката

Обе клети снабжены гидравлическими нажимными устройствами и обеспечивают полностью автоматизированный контроль с использованием мониторов. Регулирование распространяется на всю длину прокатываемой продукции. Специальное измерительное устройство, размещенное между клетями, обеспечивает прокатку без натяжения. Для перехода на другой размер достаточно выдвинуть из линии стана только кассеты с валками и проводками и заменить их в течение 5 мин на другие, используя устройство быстрой перевалки. Регулирование зазора между валками полностью автоматизировано. На участке подготовки валков заменяют только бочки валков и проводки.

Технология прокатки в трехвалковых клетях

Данную технологию начали применять в промышленных масштабах при прокатке сортовых профилей в конце 1970-х годов и затем постоянно совершенствовали .

Особенностью этой технологии является сочетание обжимных и калибровочных проходов в одном блоке клетей (в чистовом блоке при прокатке прутков и в черновом блоке при производстве катанки). Этот блок называется RSB (Reducing and Sizing Block). В соответствии с технологией была внедрена прокатка со свободными размерами, что позволило получать широкий сортамент размеров готовой продукции с довольно жесткими допусками, используя единую калибровку валков, только посредством регулирования положения валков. С одной системой чистовых калибров блок RSB дает возможность получать продукцию с размерной точностью, укладывающейся в допуски 1/4 стандарта DIN 1013 (рис. 4) .

Рис. 4. Пятиклетевой блок RSB (370 мм)

Бесконечная прокатка

Бесконечный процесс ECR (Endless Casting Rolling) (рис. 5), объединяет в одной производственной линии процессы непрерывного литья и прокатки благодаря использованию туннельной печи. В результате интеграции термического оборудования в единый производственный комплекс длительность технологического процесса от жидкой стали до готовой продукции не превышает 4 ч. Процесс ECR можно использовать на станах для прокатки заготовок и фасонных профилей, а также на станах для прокатки сорта и катанки. Линия ECR включает машину непрерывного литья, печь с роликовым подом, прокатный стан с черновой, промежуточной и чистовой группами клетей, холодильник, участок термической обработки, оборудование для резки, контроля качества поверхности, упаковки (формирования и обвязки пакетов).

Рис. 5. Бесконечный процесс литья и прокатки длинномерных профилей (ECR)

В печи с роликовым подом происходит выравнивание температуры металла и нагрев его до температуры прокатки. Кроме того, печь выступает в роли буферного оборудования в случае нарушения работы прокатного стана.

Линия прокатки оборудована бесстанинными клетями и гидравлическим устройством для быстрой перевалки, позволяющим полностью автоматизировать эту операцию. Изменение формы или размеров прокатываемой продукции может быть выполнено за несколько минут. Компьютеризованная управляющая система высшего уровня предварительно рассчитывает и задает номинальные параметры процесса прокатки. На выходных сторонах промежуточных и чистовых групп установлены триангуляционные лазерные датчики, которые измеряют форму и размеры проката. Результаты измерений поступают на монитор системы управления работой стана для расчета корректирующих воздействий на параметры процесса. Компьютеризованная управляющая система высшего уровня накапливает архив производственной информации с целью получения продукции гарантированного качества.

На выходе производственной линии располагается оборудование для термической обработки в потоке стана, для горячей и холодной правки, а также для смотки в бунты. Работой всей линии (от литейного агрегата до термообработки и отделки) управляет автоматизированная система.

Первый агрегат ECR для бесконечной прокатки длинномерной продукции из специальных сталей был введен в действие в 2000 г. .

«Ноу-хау» и оборудование, использованные на агрегате бесконечной прокатки, послужили основой создания сортовых станов с высокой производительностью и повышенным выходом годного. На агрегате EBROS (Endless Bar Rolling System – бесконечная прокатка сортовых профилей) нагретые заготовки соединяют стыковой сваркой. После удаления грата со сварного шва «бесконечная» заготовка поступает в клети прокатного стана. Так как рабочий цикл исключает время холостых простоев и появление обрези, то производительность агрегата повышается на 10-15 %, а выход годного возрастает на 2-3 % .

Станы для производства сортового проката

Как и при производстве катанки, на сортовых прокатных станах в настоящее время применяют только непрерывнолитую заготовку. Исходя из соображений размерной точности проката, при прокатке сортовых профилей придерживаются тенденции отказа от многониточных станов. Подавляющее большинство современных сортовых станов спроектированы и работают как однониточные, с чередованием горизонтальных и вертикальных клетей.

Чтобы обеспечить высокую производительность при прокатке арматурных профилей и соблюдение требуемых жестких допусков на размеры сортового проката из высококачественных и коррозионностойких сталей, прокатку этих видов металлопродукции осуществляют в настоящее время раздельно. Как и при производстве катанки, в производство сортового проката за последние 25 лет внедрены технологические прокатки с контролируемой температурой и термомеханическая прокатка. В настоящее время моталки Гаррета могут сматывать в бунты готовые профили диаметром до 70 мм.

Чтобы избежать возникновения «узких мест» в производственном процессе, при производстве профилей как в мерных длинах, так и в бунтах отделочные операции выполняют на непрерывных линиях. Для контроля качества и обеспечения его высокого уровня применяют лазерные датчики и токовихревые дефектоскопы, контролирующие размеры и выявляющие поверхностные дефекты горячекатаного проката .

Крупносортные и рельсобалочные станы

Основной задачей крупносортных станов является экономически эффективное производство высококачественной продукции. При производстве крупносортного проката можно придерживаться одной из двух концепций: первой соответствуют непрерывные станы, второй – реверсивные станы с последовательным расположением клетей и чистовой калибрующей клетью. На непрерывных станах может быть применен процесс ECR.

Технология прокатки на реверсивных станах тандем

Данная технология пригодна для производства средних и крупных сортовых профилей, балок высотой до 1000 мм (с шириной полки до 400 мм), уголков, специальных профилей и рельсов.

Реверсивные прокатные станы тандем включают двухвалковую обжимную клеть, группу из трех последовательно установленных идентичных универсальных/двухвалковых клетей, чистовую универсальную/двухвалковую клети и линию отделки с холодильником, правильной машиной, ножницами, штабелерами и упаковочными машинами.

По сравнению с концепцией без отдельно стоящей чистовой клети такая конфигурация стана обладает следующими преимуществами:

• компактное расположение прокатного оборудования – обжимной клети, промежуточной группы клетей тандем и отдельно стоящей чистовой клети;
• работающая в непрерывном режиме калибровочная клеть на выходе стана позволяет достигать довольно жестких допусков на размеры проката и значительно снизить износ валков;
• уменьшается число прокатных клетей и улучшается использование валков и проводок;
• повышается гибкость применяемой калибровки валков благодаря использованию идентичных, взаимозаменяемых универсальных/двухвалковых клетей;
• уменьшается номенклатура запасных частей и деталей вследствие идентичной конструкции клетей;
• бесстанинные клети с гидравлическими нажимными устройствами, которые могут работать под нагрузкой (SCC – Stand Core Concept); в дополнение к стандартной системе автоматического регулирования размеров профиля можно использовать системы регулирования более высокого уровня с выходом на монитор, связанный с установленным в линии стана триангулометрическим лазерным датчиком для измерения профиля проката;
• короткое время переналадки стана при переходе на прокатку другого размера (20 мин).

При прокатке среднесортных профилей (НЕ 100-260, IPE 100-550, уголки 100-200) можно отметить следующие преимущества прокатки на реверсивных станах тандем по сравнению с традиционной прокаткой на стане без отдельно стоящей калибровочной клети:

• плановые простои, связанные с перевалкой валков, сокращаются до 40 %;
• трудоемкость работ и расходы, связанные с перевалкой валков и заменой вводных и выводных проводок, уменьшаются до 20 %;
• расходы на валки снижаются на 40-60 % в зависимости от готового прокатываемого профиля.

Технология прокатки на универсальных станах и ХН-станах

В соответствии с основными тенденциями на мировом рынке крупносортного проката все ббольшим спросом пользуются сортопрокатные цехи с сокращенным технологическим циклом и низкими производственными расходами. Освоение литья балочных заготовок и сочетание литья заготовок, близких по размерам к готовому профилю, с последующей их прокаткой подготовили предпосылки для объединения процессов литья и прокатки в интегрированную линию для производства широкого сортамента крупносортных профилей, включая пользующиеся большим спросом шпунтовые профили .

При прокатке крупносортных профилей использование современных универсальных клетей в составе реверсивного стана тандем (технология прокатки ХН) стало доминирующим решением (рис. 6). При прокатке в каждом проходе используют все три клети, причем первая универсальная клеть имеет калибровку по схеме Х, а вторая универсальная клеть, выступающая в роли чистовой клети, – калибровку по схеме Н, соответствующую готовому профилю.

Рис. 6. Реверсивная группа стана с последовательным расположением клетей (тандем) для прокатки по схеме ХН

На крупносортных и рельсобалочных станах используют прокатку в реверсивной группе универсальных клетей тандем не только для получения балок и других крупносортных профилей (швеллеров, уголков, профилей для судостроения, специальных профилей и шпунтов), но и как компактную группу клетей для экономичного производства рельсов, предназначенных для работы в условиях тяжелонагруженных и высокоскоростных железных дорог (рис. 7). Эта технология дала возможность производить рельсы с повышенной размерной точностью, улучшенным качеством поверхности при меньшем износе прокатных валков.

Рис. 7. Крупносортный и рельсобалочный стан с линиями термообработки и отделки

Особенности производства рельсов

Рельсы – это прокатная продукция, к которой предъявляют чрезвычайно высокие требования. Спецификации на физические свойства и геометрические параметры, например кривизну, допускаемые отклонения размеров, состояние поверхности, микроструктуру и уровень остаточных напряжений имеют первостепенное значение. Чтобы удовлетворить эти требования, прокатанные рельсы при отделке обрабатывают на машинах горизонтальной и вертикальной правки. Машину горизонтальной правки используют также при производстве крупносортных профилей. В настоящее время имеется возможность производить и отгружать рельсы длиной до 135 м. Рельсы, предназначенные для тяжелых условий эксплуатации, подвергают специальной термической обработке для придания их головкам особой износостойкости по всей длине рельса.

На среднесортных станах (рис. 8) используют как универсальные, так и двухвалковые клети для прокатки стальных строительных профилей – балок, швеллеров, уголков, полосовой стали и специальных профилей.

Рис. 8. Планировка среднесортного стана

Прокатка балок и профилей из балочных заготовок

После того как стало возможным непрерывное литье балочных тонкостенных заготовок, обжатия и усилия при прокатке удалось уменьшить.

Пример, приведенный на рис. 9, показывает, что балочная заготовка со стенкой высотой примерно 810 мм и толщиной 90 мм может быть обжата до размеров, допустимых на входе в универсальную чистовую клеть. Число ребровых калибров зависит от степени деформации балочной заготовки, необходимой для осуществления прокатки в универсальной клети. Возможная схема обжатия балочной заготовки показана на рис. 9 .

Рис. 9. Максимальное и минимальное изменение формы полок и стенки при прокатке балок из балочных заготовок

Показаны также максимальные и минимальные пределы обжатия полки и стенки профиля. Во всех четырех случаях проиллюстрированы коэффициенты вытяжки, при которых получают наиболее крупный балочный профиль (с наибольшей высотой стенки), и обжатия в вертикальных (эджерных) валках для получения профиля минимального размера (с минимальной площадью поперечного сечения).

После освоения прокатки балочных заготовок и внедрения технологии компактного производства балок CBP (CompactBeamProduction) встал вопрос о том, можно ли (и как именно) использовать балочные заготовки при производстве шпунтовых профилей.

Калибровка валков, показанная на рис. 10, представляет процесс прокатки шпунтов Ларсена (корытообразных) на стане с универсальной клетью, предусматривающей два прохода в горизонтальных валках для получения универсального балочного профиля и два прохода в вертикальных (эджерных) валках группы реверсивных клетей тандем для формирования профиля с формой и размерами, требуемыми на входе в чистовую клеть .

Рис. 10. Прокатка шпунтовых профилей (профиль Ларсена) из балочных заготовок

В настоящее время, как было отмечено выше, балочные профили прокатывают из заготовок с использованием технологической схемы ХН. Кроме того, балочные заготовки применяют для производства шпунтов Ларсена и рельсов. Весь сортамент стандартных балочных профилей может быть прокатан всего из четырех размеров непрерывнолитых балочных заготовок. Дальнейшая оптимизация процесса прокатки балок шла по пути приспособления известной технологии компактного производства горячекатаной полосы (CSP) к производству балок. Этот процесс, получивший название CBP, позволил значительно уменьшить число проходов при прокатке.

Кроме того, можно прокатывать рельсы Виньеля (с плоской подошвой) из балочных заготовок, как показано на рис. 11. В этом случае значительно сокращается число проходов по сравнению с классической схемой прокатки рельсов в двухвалковых клетях .

Рис. 11. Калибровка валков для прокатки рельсов Виньеля из балочных заготовок

При производстве рельсов закалка головок и термическая обработка в линии стана стали традиционными операциями для получения продукции требуемого качества .

Гидравлические нажимные системы

Современные заготовочные и крупносортные станы, в состав которых включены универсальные/двухвалковые клети, оборудованы автоматизированными гидравлическими нажимными системами, которые позволяют прокатывать готовую продукцию с очень жесткими допусками. Станина со стороны оператора выполнена перемещаемой и имеет возможность выдвигаться вместе с валками (которые могут иметь различную длину бочки) и проводками (рис. 12). Настройка стана при переходе на прокатку другого размера занимает всего 20 мин, что делает экономически оправданным производство малых партий продукции.

Рис. 12. Компактная универсальная/двухвалковая клеть

С помощью цифровой системы управления технологическим процессом (TSC– TechnologicalControlSystem) (рис. 13) установка валков посредством гидравлических устройств может поддерживаться постоянной по всей длине прокатываемого профиля. Каждый гидравлический цилиндр позиционируют так, чтобы зазоры между горизонтальными и вертикальными валками соответствовали предварительно рассчитанным номинальным значениям. Гидравлическая система регулирования межвалкового зазора (HGC – Hydraulic Gap Control) позволяет также предотвратить разрушение валков и станины при возникновении перегрузок. Кроме того, в процессе прокатки нижний валок позиционируют относительно верхнего валка. Деформация клетей, происходящая под действием различных усилий прокатки, компенсируется в ходе прокатки с помощью системы атоматического регулирования размеров проката (AGC – Automatic Gage Control). Все это позволяет применять воспроизводимые и относительно простые схемы калибровок.

Рис. 13. Система управления технологическим процессом

Холодильник с аэрозольным охлаждением, линия селективного охлаждения и лазерная система измерения профиля

Использование водяного тумана в качестве охлаждающей среды на определенном участке холодильника ускоряет процесс охлаждения и обеспечивает следующие преимущества:

• конкретное влияние на кривую охлаждения (рис. 14);
• меньшая площадь холодильника;
• сокращение капитальных затрат;
• низкие эксплуатационные расходы;
• возможность применения модульной системы охлаждения с избирательным включением-выключением секций;
• повышение производительности холодильников в действующих цехах .

Рис. 14. Сравнение различных методов охлаждения и холодильник с аэрозольным охлаждением

Для равномерного распределения температуры в стальном профиле при прокатке двутавровых балок и рельсов между выходной стороной стана и холодильником устанавливают устройство селективного охлаждения, геометрия которого соответствует форме и размерам профиля. В сочетании с системой управления технологическим процессом такое решение дает возможность охлаждения конкретных участков поперечного сечения прокатанного профиля (рис. 15).

Рис. 15. Селективное охлаждение рельсов и балок

Это не только улучшает прямизну прокатанных профилей на холодильнике, но и снижает остаточные напряжения в металле вследствие более равномерного протекания структурных превращений.

Кроме того, могут быть повышены механические свойства проката. Секции избирательного охлаждения могут быть смонтированы и на холодильниках действующих цехов.

Готовые рельсы, балки и другие профили после прокатки измеряют в горячем состоянии методом светоделения. Лазерный луч, направленный на поверхность измеряемого профиля, отражается и улавливается быстродействующим датчиком с высокой разрешающей способностью. Расстояние до поверхности профиля рассчитывается в зависимости от позиции, в которой отраженный луч улавливается датчиком. На основе результатов измерений может быть очерчен контур измеряемого профиля.

Машины для правки профилей и рельсов

Современные машины CRS валкового типа и компактной компоновки для правки профилей (рис. 16, а) оборудованы девятью двухопорными сборными правильными роликами с фиксированным расположением. Все девять роликов имеют индивидуальные приводы. Гидравлические цилиндры могут регулировать положение роликов под нагрузкой или зазора между ними. По сравнению с традиционным правильным оборудованием такие машины имеют следующие преимущества:

• равномерное и симметричное приложение нагрузки, а также более благоприятное распределение в профилях остаточных напряжений;
• компенсация упругого пружинения роликов путем регулирования их положения с помощью гидроцилиндров;
• гидравлический механизм осевой установки каждого из роликов;
• сборка правильных роликов с минимальными зазорами и максимальная точность их установки в процессе правки;
• автоматизированная замена роликов, занимающая не более 20 мин.

Рис. 16. Правильная машина для стальных профилей (а) и рельсов (б), скомпонованная по схеме Н-V

Машины для правки рельсов (рис. 16, б) состоят из горизонтального и вертикального блоков и отличаются повышенной жесткостью конструкции и индивидуальным приводом правильных роликов. В сочетании с машинами для правки рельсов вне линии стана и специальными системами контроля натяжения между правильными роликами эти машины позволяют достигать минимального уровня остаточных напряжений в рельсах, что значительно увеличивает срок их эксплуатации.

Отличительными особенностями машин для правки рельсов являются:

• беззазорная сборка правильных роликов, втулок и опор на регулируемых валах;
• монтаж правильных втулок на валах с помощью байонетных колец и гидравлических систем высокого давления;
• автоматизированная настройка машины при изменении размеров продукции;
• замена правильных роликов в течение 30 мин.

Перспективы

Возрастающие требования, предъявляемые потребителями длинномерного сортового проката в отношении свойств и точности размеров, а также необходимость внедрения ресурсосберегающих технологий заставили технологов освоить производство готовой продукции непосредственно с прокатного нагрева и без дополнительной термической обработки. В некоторых случаях это обеспечивает достижение таких свойств материала, которые невозможно получить при использовании традиционных процессов термической обработки.

Прогресс в области современной контрольно-измерительной аппаратуры и средств автоматизации, а также совершенствование конструкции прокатных станов позволили добиться высокого уровня автоматизации производственного процесса. Следствием этого стал ряд важных достижений, в том числе увеличение выхода годного, повышение качества продукции и обеспечение более стабильных свойств, возможность мгновенного реагирования на отклонения в ходе технологического процесса, точная настройка прокатного оборудования, снижение брака и надежное документирование всего технологического процесса для обеспечения гарантированного качества продукции.

• П.-Й. Мок
• К. Оверхаген
• У. Стелмахер

На протяжении последних лет при совершенствовании технологии сортовой прокатки основное внимание уделялось получению требуемых свойств сортового проката и катанки непосредственно с прокатного нагрева и возможности дальнейшей обработки проката без предварительной термической обработки. В сочетании со свободной прокаткой (по свободным размерам) это позволило повысить гибкость производственного процесса. Внедрение непрерывного литья балочных заготовок с размерами, близкими к размерам готового профиля, внесло заметные изменения в процесс производства крупносортного проката. Число проходов при прокатке уменьшилось, прокатные станы снизили свои габариты, процесс прокатки упростился, его экономические показатели улучшились, а энергопотребление сократилось. Кроме того, при прокатке рельсов и балок такие мероприятия, как контроль температурного режима и охлаждение профилей, а при прокатке рельсов также и возможность их упрочнения в линии стана, привели к повышению качества продукции.

• сортовой прокат,
• мелкосортно-проволочный стан,
• крупносортный стан,
• рельсобалочный стан,
• процесс прокатки,
• отделка,
• термическая обработка.

• Burkhardt, M.; Müller, H.; Ellis, G.: Iron Steel Techn. (2004) Nr. 2, S. 50/55.
• Brune, E.; Koller, F.; Kruse, M.; Mauk, P.J.; Plociennik, U.: stahl u. eisen 114 (1994) Nr. 11, S. 87/92.
• Filippini, S.A.; Ammerling, W.J.: Further developments in wire rod and bar production using the 3-roll technology, Proc. AISTech 2008, 5.–8. Mai 2008, Pittsburgh, USA, Vol. 2.
• Hüllen, P. van; Ammerling, J.: Targets, imple mentation and operating results of the modernization project of a bar mill for engineering steel, Proc. 3. Europ. Rolling Conf., METEC Congress 2003, 16.–20. Juni 2003, Düsseldorf, S. 171/76.
• Alzetta, F.: Iron Steelmak. 29 (2002) Nr. 7, S. 41/49.
• Austen, T.; Ogle, D.; Hogg, J.: EBROS – endless bar rolling system, Proc. AISE Annual Convention and Steel Expo 2002, 30. Sept. – 2. Okt. 2002, Nashville, USA, S. 1/24.
• Knorr, J.S.: BHM – Berg- und Hüttenm. Monatshefte 146 (2001) Nr. 1, S. 2/6.
• Hensel, A.; Lehnert, W.; Krengel, R.: Der Kalibreur (1996) Nr. 57, S. 37/47.
• Mauk, J.: Verfahren zum Walzen schwerer Profile – Vergleich und Bewertung aus umformtechnischer Sicht, Proc. 27. Verformungskundliches Kolloquium, 8.–11. März 2008, Planneralm, Österreich, Montanuniversität Leoben, S. 155/80.
• Engel, G.; Feldmann, H.; Kosak, D.: Der Kalibreur (1987) Nr. 47, S. 3/24.
• Cygler, M.; Engel, G.; Flemming, G.; Meurer, H.; Schulz, U.: MPT – Metallurgical Plant and Technology Intern. 17 (1994) Nr. 5, S. 60/67.
• Pfeiler, H.; Köck, N.; Schroder, J.; Maestrutti, L.: MPT – Metallurgical Plant and Technology Intern. 26 (2003) Nr. 6, S. 40/44.
• Moitzi, H.; Köck, N.; Riedl, A.: Modernste Schienenproduktion – Technologiewechsel an der Schienen walzstraβe, 28. Verformungskundliches Kolloquium, 13. Feb. 2009, Planneralm, Österreich, Montanuniversität Leoben, S. 53/60.
• Lemke, J.; Kosak, T.: Walzen von Profilen aus Beam Blanks, Freiberger Forschungshefte, Reihe B, Bd. 306, 2000, S. 198/214.

Исходной заготовкой при прокатке служат слитки: стальные массой до 60 т, из цветных металлов и их сплавов обычно массой до 10 т. При производстве сортовых профилей стальной слиток массой до 15 т в горячем состоянии прокатывают на блюминге, получая заготовки квадратного (или близкого к нему) сечения (от 140X140 до 450x450 мм), называемые блюмами. Затем блюмы поступают на заготовочные станы для прокатки заготовок требуемых размеров или сразу на крупносортные станы для прокатки крупных профилей сортовой стали. На заготовочных и сортовых станах заготовка последовательно проходит через ряд калибров.

Разработку системы последовательных калибров, необходимых для получения того или иного профиля, называют калибровкой. Калибровка является сложным и ответственным процессом. Неправильная калибровка может привести не только к снижению производительности, но и к браку изделий. Чем больше разность в размерах поперечных сечений исходной заготовки и конечного изделия и чем сложнее профиль последнего, тем больше число калибров требуется для его получения. Число калибров может быть различным; например, при прокатке проволоки диаметром 6,5 мм их число достигает 21. После прокатки полосы режут на мерные длины, охлаждают, правят в холодном состоянии, термически обрабатывают, удаляют поверхностные дефекты.

При производстве листового проката стальной слиток массой до 50 т в горячем состоянии прокатывают на слябинге или блюминге, получая заготовку прямоугольного сечения (наибольшей толщиной - 350 и шириной - 2300 мм), называемую слябом.

В настоящее время вместо прокатанных заготовок широко применяют заготовки в виде слябов, полученные непрерывной разливкой. Слябы прокатывают большей частью на непрерывных станах горячей прокатки, состоящих из двух групп рабочих клетей - черновой и чистовой, расположенных друг за другом. Перед каждой группой клетей сбивают окалину в окалиноломателях. После прокатки полосу толщиной 1,2-16 мм сматывают в рулон. К отделочным операциям производства горячекатаного листа относятся резка, травление, термическая обработка и др.

Исходным материалом для холодной прокатки листа толщиной менее 1,5 мм обычно служат горячекатаные рулоны. На современных станах холодной прокатки производят листовую сталь с минимальной толщиной 0,15 мм и ленты с минимальной толщиной 0,0015 мм. Современным способом холодной прокатки является рулонный. Предварительно горячекатаный лист очищают травлением в кислотах с последующей промывкой. Прокатывают на одноклетьевых и многоклетьевых непрерывных четырех валковых станах, а также на многовалковых станах. После холодной прокатки материал проходит отделочные операции: отжиг в защитных газах, нанесение в случае необходимости покрытий, разрезку на мерные листы и др.

При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка - образование отверстия в слитке или круглой заготовке. Эту операцию выполняют в горячем состоянии на прошивных станах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под небольшим углом (5-15°) друг к другу. Оба валка вращаются в одном и том же направлении, т. е. в данном случае используется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому расположению валков заготовка получает одновременно вращательное и поступательное движения. При этом в металле возникают радиальные растягивающие напряжения, которые вызывают течение металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю полость, и облегчают прошивку отверстия оправкой, устанавливаемой на пути движения заготовки.

Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространенном методе трубу прокатывают на короткой оправке в так называемом автоматическом двухвалковом стане. Валки образуют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закрепленной на длинном стержне оправкой и ручьями валков определяет толщину стенки трубы. Для устранения неравномерности толщины стенки по сечению и рисок после раскатки производят обкатку труб в обкатных станах, рабочая клеть которых по конструкции аналогична клети прошивного стана. Затем для получения заданного диаметра трубы прокатывают в калибровочном многоклетьевом стане продольной прокатки без оправки; а при необходимости получения труб диаметром менее 80 мм - еще и в редукционных непрерывных станах с рабочими клетями аналогичной конструкции.

Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки - ленты (называемой штрипсом) или из листов, ширина которых соответствует длине (или половине длины) окружности трубы. Процесс изготовления сварной трубы включает следующие основные операции: формовка плоской заготовки в трубу, сварка кромок, уменьшение (редуцирование) диаметра полученной трубы. Для сварки чаще применяют следующие способы: печную сварку, сварку сопротивлением и дуговую под слоем флюса. При производстве труб печной сваркой ленту, размотанную с рулона, правят, нагревают в узкой длинной (до 40 м) газовой печи до температуры 1300-1350 °С и формируют в трубу в непрерывном прокатном стане (рис. 3.12). Стан состоит из 6-12 рабочих клетей, в которых валки образуют круглые калибры. При прокатке в калибрах прижимаемые одна к другой кромки, до полнительно нагретые до высокой температуры обдувкой кислородом, свариваются. Выходящую из стана трубу разрезают специальной пилой на куски требуемой длины и далее калибруют на калибровочном стане. Этим способом изготовляют трубы самой низкой стоимости из низкоуглеродистой стали (Ст2кп) диаметром 10-114 мм.

Электросваркой можно получать трубы большого диаметра (до 2500 мм) с тонкой стенкой (до 0,5 мм) из легированных сталей.

При производстве труб сваркой сопротивлением ленты или полосы свертывают в холодном состоянии в трубу в формовочных непрерывных станах. При выходе из формовочного стана трубная заготовка поступает на трубоэлектросварочный стан, где кромки трубы прижимаются друг к другу двумя парами вертикальных валков и одновременно свариваются роликовыми электродами. После сварки трубу калибруют, разрезают на части.

Дуговой сваркой под флюсом изготовляют, трубы с прямыми и спиральными швами. В первом случае подготовленный лист формуют на листогибочных валковых станах или на прессах, затем сваривают, причем швы накладывают снаружи и изнутри трубы. При получении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам.

Трубы с более тонкой стенкой, высокими качеством поверхности и точностью размеров получают на станах холодной прокатки труб различных типов, а также волочением. В качестве заготовки в этом случае применяют горячекатаные трубы.

Процессы получения специальных видов проката отличаются большим разнообразием. Причем некоторые из них осуществляют на металлургических предприятиях, а другие - на машиностроительных. Особенно большое значение имеет прокатка периодических профилей, которые применяют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку. Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станках поперечно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, но и заготовки шаров и сферических роликов подшипников качения (рис. 3). Валки 2 и 4 вращаются в одну и ту же сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 1 при прокатке получает вращательное и поступательное движения; от вылета из валков она предохраняется центрирующими упорами 3. Производство других специальных видов проката, осуществляемых чаще на машиностроительных предприятиях.

Рис. 3. Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки

5.2 Механический цех

Одна из главных задач машиностроения - дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей. Особенно большое внимание уделяется чистовым и отделочным технологическим методам обработки, объем которых в общей трудоемкости обработки деталей постоянно возрастает. Наряду с механической обработкой резанием применяют методы обработки пластическим деформированием, с использованием химической, электрической, световой, лучевой и других видов энергий. Весьма прогрессивны комбинированные методы обработки.

Обработка металлов резанием - это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали. Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах станков, обеспечивающих эти относительные движения: в шпинделе, на столе, в револьверной головке. Движения рабочих органов станов подразделяют на движения резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания. К ним относят главное движение и движение подачи.

За главное принимают движение, определяющее скорость деформирования и отделения стружки, за движение подачи - движение, обеспечивающее врезание режущей кромки инструмента в материала заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по своему характеру вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения обозначают v, величину подачи -s.

Движение, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя материала, называют установочными. К вспомогательным движениям относят Транспортирование заготовки, закрепление заготовок и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов станка и др.

Режущие инструменты в данном производстве работают в условиях больших силовых нагрузок, высоких температур и трения. Поэтому инструментальные материалы должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований. Материал рабочей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие допустимые напряжения на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала рабочей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки.

Высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяла воспринимать ударную динамическую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов и заготовок с прерывистой поверхностью. Инструментальные материалы должны иметь высокую красно стойкость, т. е. сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. Важнейшей характеристикой материала рабочей части инструмента является износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент. Это значит, что разброс размеров деталей, последовательно обработанных одним и тем же инструментом, будет минимальным.

В основу классификации металлорежущих станков, принятой в нашей стране, положен технологический метод обработки заготовок. Классификацию по технологическому методу обработки проводят в соответствии с такими признаками, как вид режущего инструмента, характер обрабатываемых поверхностей и схема обработки. Станки делят на токарные, сверлильные, шлифовальные, полировальные и доводочные, зубообрабатывающие, фрезерные, строгальные, разрезные, протяжные, резьбообрабатывающие и т. д.

Классификация по комплексу признаков наиболее полно отражается в общегосударственной Единой системе условных обозначений станков. Она построена по десятичной системе; все металлорежущие станки разделены на десять групп, группа - на десять типов, а тип - на десять типоразмеров. В группу объединены станки по общности технологического метода обработки или близкие по назначению (например, сверлильные и расточные). Типы станков характеризуют такие признаки, как назначение, степень универсальности, число главных рабочих органов, конструктивные особенности. Внутри типа станки различают по техническим характеристикам.

В соответствии с этой классификацией каждому станку присваивают определенный шифр. Первая цифра шифра определяет группу станков, вторая тип, третья (иногда третья и четвертая) показывает условный размер станка. Буква на втором или третьем месте позволяет различать станки одного типоразмера, но с разными техническими характеристиками. Буква в конце шифра указывает на различные модификации станков одной базовой модели. Например, шифром 2Н135 обозначают вертикально-сверлильный станок (группа2, тип 1), модернизированный (Н), с наибольшим условным диаметром сверления 35 мм (35).

Различают станки универсальные, широкого применения, специализированные и специальные. На универсальных станках выполняют самые разнообразные работы, используя заготовки многих наименований. Примерами таких станков могут быть токарно-винторезные, горизонтально-фрезерные консольные и др. Станки широкого назначения предназначены для выполнения определенных работ на заготовках многих наименований (многорезцовые, токарно-отрезные станки). Специализированные станки предназначены для обработки заготовок одного наименования, но разных размеров (например, станки для обработки коленчатых валов). Специальные станки выполняют определенный вид работ на одной определенной заготовке.

6. БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Снижение производственной опасности осуществляется выполнением соответствующих инструкций:

№013- Для работающих на токарных станках, автоматах и полуавтоматах с ЧПУ (2000 год).

№029- Для работающих на металлорежущих станках (2002 год).

6.1 Общие требования безопасности

К обслуживанию механизмов могут быть допущены только те рабочие, которые изучили их устройство и инструкцию по эксплуатации. Перед включением следует удостовериться в исправности механизма и в том, что пуск его никому не угрожает опасностью. Обнаружив во время осмотра какие-либо неисправности в механизме или его предохранительных устройствах, рабочий должен сообщить об этом мастеру и до их устранения к работе не приступать.

Запрещается оставлять работающий механизм без присмотра. Даже при кратковременном отсутствии на рабочем месте следует остановить механизм и сообщить мастеру о своем уходе. Запрещается касаться движущихся частей механизма и облокачиваться на него; брать или передавать через работающий механизм предметы; чистить, смазывать, ремонтировать механизм на ходу. Недопустимо пользоваться перчатками и рукавицами при выполнении работ, если имеется опасность захвата их вращающимися частями. Если во время работы в механизм попал какой-либо предмет, доставать его, не отключив механизм, запрещается. Надо остановить механизм и медленно, вращая его вручную, освободить попавший в него предмет.

Не разрешается допускать на свое рабочее место лиц, не имеющих отношения к выполняемой работе, а также доверять работающий механизм другому рабочему.

6.2 Монтаж и демонтаж оборудования.

Станки, прессы и другое оборудование должны устанавливаться на прочных основаниях или фундаментах, тщательно выверяться и надежно закрепляться. В конструкции оборудования (станка, пресса и т. д.) и отдельных его частей необходимо предусматривать специальные рамы, болты, окна, кронштейны и другие устройства для быстрой, удобной и надежной строповки и безопасного перемещения во время погрузки, демонтажа и ремонта оборудования.

Устройства для строповки должны располагаться с учетом центра тяжести переносимого груза и при подъеме не должны повреждаться натянутыми цепями или тросами. Рым-болты, приливы, кронштейны, стенки, в, которых имеются окна под строповку, должны быть рассчитаны на прочность с учетом массы поднимаемого груза и возникающей во время транспортирования перегрузки.

При монтаже, демонтаже и ремонте оборудования; его узлов и агрегатов высотой более 1,5 м от уровня пола или рабочей площадки устраивают прочные и устойчивые подмости, леса и т. п. для безопасной работы на высоте. Рабочие места ремонтных слесарей должны быть оборудованы шкафами, верстаками, стеллажами.

Перед ремонтом оборудование отключают от электросети, а на пусковых устройствах вывешивают плакат с надписью «Не включать - работают люди».

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ

Технико-экономическое обоснование выбора заготовки для обрабатываемой детали производят по нескольким направлениям металлоемкости, трудоемкости и себестоимости, учитывая при этом конкретные производственные условия. Технико-экономическое обоснование ведется по двум или нескольким выбранным вариантам. При экономической оценке определяют металлоемкость, себестоимость или трудоемкость каждого варианта изготовления заготовки, а затем их сопоставляют.

Технико-экономический расчет изготовления заготовки производят в следующем порядке:

1. Устанавливают метод получения заготовки согласно типу производства, конструкции детали, материалу и другим техническими требованиям на изготовление детали.

2. Назначают припуски на обрабатываемые поверхности детали согласно выбранному методу получения заготовки по нормативным таблицам или производят расчет аналитическим методом;

3. Определяют расчетные размеры на каждую поверхность заготовки;

4. Назначают предельные отклонения на размеры заготовки по нормативным таблицам в зависимости от метода получения;

Технико - экономические показатели изготовления детали.

Материал:

· Размер: М20

· Марка стали: Ст25

· Вес заготовки одной штуки = 0,313 кг

· Цена за 1 кг = 23-00 (руб.)

· Стоимость за единицу = 7-20 (руб.)

1.3аработная плата рабочего за единицу продукции составляет 5-72 (руб.).

2. Дополнительная заработная плата рабочего на единицу продукции составляет 1-43 (руб.).

3. Отчисление на социальное страхование составляет 1-99 (руб.).

4. Спецрасходы составляют 1-14 (руб.).

5. Цеховые расходы составляют 17-16 (руб.)

6. Общезаводские расходы составляют 11-44 (руб.)

7. Итоговая заводская себестоимость детали равна 46-08 (руб.)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной целью проектирования технологического процесса является снижение себестоимости изделия и повышение производительности труда. Решение этой задачи должно производиться в соответствии с заданным типом производства. Проектирование нового технологического процесса должно включать в себя анализ исходных данных (определение служебного назначения изделия, анализ технических условий и технологичности конструкций), определение класса и группы детали, количественная оценка групп изделий, выбор исходной заготовки и метода ее изготовления, выбор технологических баз, составление технологического маршрута обработки, разработка технологических операций.

Технологический процесс для данной детали (винта) составлен наиболее рационально. Форма детали достаточно проста для обработки, для выполнения своих функций, рассматриваемая деталь получена с экономической точки зрения рационально.

Итоговая заводская себестоимость винта не велика.

Припуски определены расчетно-аналитическим методом, что дает получить экономию металла, уменьшить трудоемкость обработки и снизить себестоимость выпускаемой продукции.

Выбраны оптимальные режимы резания, что обеспечивает наибольшую производительность труда при наименьшей себестоимости операции при требуемом качестве обработки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курсовое проектирование по предмету “Технология машиностроения”, Добрыднев И.С., М.: Машиностроение 1985.

2. Технология конструкционных материалов, Дальский А.М., М.: Машиностроение 1985.

3. Охрана труда в машиностроении, Мазов В.А. М.: Машиностроение 1983.

Основным оборудованием прокатных цехов являются прокатные станы. Заготовку в прокатном производстве называют полосой.

Схема расположения технологического оборудования прокатного стана зависит от вида выпускаемой продукции. На рис. 3.23 приведена схема производства изделий сортового проката. Исходной заготовкой в этом случае является стальной слиток массой до 60 т. Слиток нагревают в нагревательных колодцах 1 и подают на слитковоз, который привозит и укладывает слиток 2 на приемный рольганг блюминга 3. После прокатки на блюминге получают полупродукт квадратного сечения (от 140х140 до 400х400 мм), называемый блюмом 4. Блюм, двигаясь по рольгангу, проходит машину огневой зачистки, где производится зачистка поверхностных дефектов, и подается к ножницам, где режется на мерные заготовки. Далее блюм поступает (иногда после дополнительного нагрева) на заготовочный стан 5, где производится прокатка на блюмы сечением от 50х50 до 150х150 мм, и затем - непосредственно на сортопрокатный стан. Для получения требуемого профиля заготовка проходит ряд клетей с калиброванными валками. На рис. 3.23 представлено полунепрерывное расположение клетей сортопрокатного стана. В первой группе (6, 7, 8) заготовка прокатывается непрерывно, т.е. находится в них одновременно, а во второй группе (9, 10) осуществляется последовательная прокатка.

На сортовых станах заготовка последовательно проходит через ряд калибров. Разработка системы последовательных калибров, необходимых для получения того или иного профиля, является сложной задачей. Число калибров зависит от сложности профиля и разности размеров поперечных сечений исходной заготовки и конечного изделия. Так для получения рельсов необходимо пропустить полосу через систему из девяти калибров (рис. 3.24).

Рис. 3.23. Схема производства сортового проката:

1- нагревательный колодец, 2- слиток, 3- блюминг, 4- блюм, 5- заготовочный стан, 6,7,8,9,10- клети сортопрокатного стана

Полученный прокат требуемого профиля разрезают на заданную длину, охлаждают, правят в холодном состоянии, обрабатывают термически и удаляют поверхностные дефекты.

Технология производства листового проката аналогична. Нагретый слиток прямоугольного сечения обрабатывают на обжимных и заготовительных станах. Далее полосу прокатывают в многовалковых клетях листопрокатных станов.

Рис. 3.24. Калибры для прокатки рельсов

Трубопрокатные станы применяют для производства бесшовных и сварных труб. Прокатка бесшовных труб включает две стадии: получение пустотелой гильзы из круглого проката и из пустотелой гильзы готовой трубы. Пустотелые гильзы получают на прошивном стане, а для труб большого диаметра - центробежным литьем. Прошивной стан (рис. 3.25) работает по принципу поперечно- винтовой прокатки. Он имеет два бочкообразных рабочих валка, расположенных под углом 4 … 6° относительно друг друга. Валки вращаются в одном направлении. Для удержания заготовки между рабочими валками имеются направляющие линейки или холостые валки. При вращении рабочих валков заготовка втягивается в зону деформации. По мере продвижения заготовки зазор между валками уменьшается, а окружная скорость на ее поверхности возрастает. Это приводит к скручиванию заготовки, уменьшению ее диаметра и появлению в металле больших внутренних напряжений. Металл в центре заготовки становится рыхлым и сравнительно легко прошивается оправкой.

Для получения из пустотелой гильзы готовой трубы ее прокатывают на пилигримовом стане (рис. 3.26, а). Рабочие валки 3 пилигримового стана вращаются в разные стороны с одинаковой скоростью. При этом направление вращения валков противоположно направлению подачи заготовки 1. Профиль валков переменный, вследствие чего сечение калибра, имеющего форму окружности, непрерывно изменяется при каждом обороте валков. При максимальном размере калибра заготовка с оправкой 2 продвигается в валки на величину подачи. Зев калибра валков 3 захватывает часть гильзы и обжимает ее своей рабочей частью (рис. 3.26, б). После того как валки сделают полный оборот и возвратятся в исходное положение, оправку с заготовкой поворачивают на 90° и снова подают в валки для обжатия. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет прокатана вся гильза. Дальше трубы обрабатывают на специальной машине для устранения овальности и разностенности, а затем прокатывают на калибровочном стане для получения окончательных размеров.

Существуют и другие способы прокатки труб, в частности автоматический трубопрокатный стан.

Сварные трубы, диаметр которых достигает 2500 мм, значительно дешевле бесшовных, но менее прочны и долговечны. Для изготовления сварных труб используют плоские горячекатаные полосы (штрипсы), свернутые в рулон 1 (рис. 3.27). Для обеспечения непрерывности процесса передний конец штрипса сваривается с задним концом предыдущего рулона.

Рис. 3.27. Схема производства труб непрерывной печной сваркой:

1- рулон заготовки, 2- правúльная машина, 3- нагревательная печь, 4- формовочно- сварочный стан, 5,6- обжимные клети

Процесс состоит из операций свертывания заготовки в трубу, сварки, калибровки, отделки и правки. Подача концов штрипсов к месту сварки производится при помощи тянущих роликов листоправильной машины 2. Непрерывный штрипс проходит через нагревательную печь тоннельного типа 3, где нагревается до температуры 1320 … 1400 °С. По выходе из печи с поверхности штрипса удаляют окалину (сжатым воздухом). Непосредственно за печью устанавливают многоклетьевой формовочно - сварочный стан 4, в клетях которого штрипс сворачивается в полный круг по схеме показанной на рис. 3.28. Затем кромки сжимаются и свариваются. В последующих клетях 5,6 происходит обжатие трубы до требуемого размера. Для сварки труб применяют печной, электрический и газовый нагрев кромок полосы. Собственно процесс сварки кромок сформованной трубной заготовки представляет собой процесс кузнечной сварки, заключающейся в использовании способности к межатомному сцеплению сдавливаемых поверхностей металлов, нагретых до высокой температуры. Трубы большого диаметра изготовляют преимущественно с применением автоматической дуговой сварки под флюсом.

В настоящее время большое распространение получил также способ изготовления труб свертыванием полосы по спирали.

Технологии изготовления специальных видов проката разнообразны. Наиболее часто используют прокатку периодических профилей, которые применяют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку. Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. Используют также специальные станы, одна из схем которых приведена на рис. 3.29. Здесь заготовка деформируется тремя валками, вращающимися в одном направлении. Валки по мере движения копировальной линейки сближаются или расходятся, изменяя диаметр прокатываемой заготовки по длине.

На станах поперечно-винтовой прокатки изготавливают также заготовки шаров и сферических роликов подшипников качения (рис. 3.30). Валки 2 и 4 здесь вращаются в одну и ту же сторону. Ручьи валков, образующих калибры соответствующей формы, выполнены по винтовой линии. Заготовка 1 при прокатке получает вращательное и поступательное движения. Удерживается она в зоне деформации с помощью центрирующих упоров 3.

ПРЕССОВАНИЕ

Прессование-это вид обработки металлов давлением, позволяющий изготавливать разнообразные профили из черных и цветных металлов постоянного поперечного сечения по длине (рис. 3.31). При прессовании металл заготовки деформируется с помощью инструментальной оснастки, состоящей из матрицы, пуансона и контейнера (рис. 3.32). Прессование заключается в продавливании с помощью пуансона 1 через отверстие в матрице 4 заготовки 3, находящейся в замкнутой полости (контейнере) 2. Форма и размеры прессованного профиля определяются конфигурацией отверстия матрицы.

Прессование называют также выдавливанием. Процесс прессования, выполняемый по схеме, представленной на рис. 3.32, называется прямым. В этом случае направление выхода металла через отверстие матрицы совпадает с направле нием движения пуансона.

При обратном прессовании (рис. 3.33) металл заготовки 3 вытекает в направлении, обратном перемещению пуансона 5. Для этого матрицу 4 устанавливают в конце полого пуансона, а заготовку 3 помещают в глухой контейнер 2, запирают упорной шайбой 1 и при прессовании остается неподвижной. Трение металла о поверхность контейнера снижается, в связи с чем обратное прессование, которое называют еще встречным, требует меньших усилий.

Прессованием изготовляют не только сплошные профили, но и полые (рис. 3.34). В этом случае заготовка 4, размещенная в контейнере 2, сначала прошивается иглой 6, проходящей через полый пуансон 1. При дальнейшем перемещении пуансона 1металл выдавливается в виде трубы через кольцевой зазор между стенками отверстия в матрице 5 и иглой 6.

В последнее время находит применение гидравлический метод прессования, который называют еще гидроэкструзией (рис. 3.35). Заготовка 5, помещенная в контейнере 3, плотно заходит в конус матрицы 7. Контейнер закрывают крышкой 1 с затвором 2 и уплотняют прокладками 8. Через отверстие 4 в контейнер нагнетается жидкость 6 под высоким давлением, которая выдавливает заготовку через матрицу. В данном случае металл заготовки находится в состоянии всестороннего сжатия жидкостью и деформируется с минимальными потерями на трение. Этот способ позволяет обрабатывать очень хрупкие сплавы.

Исходной заготовкой при прессовании обычно является слиток или прокат. Для повышения качества поверхности изделия и снижения величины трения заготовку предварительно обтачивают на станке, а после нагрева поверхность очищают от окалины.

При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию. При такой схеме деформирования металл наиболее пластичен. Степень деформации при прессовании характеризуется коэффициентом вытяжки. Он определяется как отношение площади сечения заготовки к площади сечения прессуемого профиля. Вытяжка при прессовании составляет 10 … 50. Прессованием обрабатывают как пластичные, так и малопластичные сплавы: медные, алюминиевые, магниевые, титановые, углеродистые и легированные стали и т.п. Первые из них деформируют без нагрева, вторые в горячем состоянии.

Сортамент прессованных профилей очень разнообразен. Среди прочего таким способом изготавливают проволоку диаметром 5 … 10 мм, прутки диаметром 3 … 250 мм, трубы диаметром 20 … 400 мм со стенкой толщиной 1,5 … 12 мм, профили с полкой толщиной 2 … 2,5 мм и линейными размерами поперечных сечений до 200 мм.

К числу главных преимуществ, которыми отличается процесс прессования, следует отнести следующие.

1) Точность изделий выше, чем при прокатке, что позволяет использовать их без дальнейшей механической обработки.

2) Высокая производительность процесса (скорость выдавливания изделия из отверстия матрицы в некоторых случаях может достигать 20 м/с).

3) Возможность получения сложных профилей, которые невозможно получить другими видами обработки металлов давлением.

4) Прессованием можно обрабатывать такие сплавы, которые ввиду низкой пластичности другими видами обработки давлением деформировать невозможно или затруднительно.

5) Гибкость процесса и легкость переналадки на изготовление другого профиля, т.к. для этого требуется только замена матрицы.

6) Достаточно высокое качество поверхности при холодном прессовании, что позволяет отказаться от отделочных операций.

Прессование имеет и недостатки.

1) наличие отходов металла, так как весь он не может быть выдавлен из контейнера и в нем остается так называемый пресс-остаток, который после окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс – остатка обычно составляет 8 … 12%, но в некоторых случаях может быть и очень большой. Так при прессовании труб большого диаметра масса пресс – остатка может достигать 40% массы исходной заготовки.

2) Большой износ инструмента, т. к. работает он в исключительно тяжелых условиях, испытывая кроме больших давлений действие высоких температур.

3) Высокая стоимость инструмента для прессования, т.к. изготавляют его из высококачественных инструментальных сталей и жаропрочных сплавов.

ВОЛОЧЕНИЕ

Волочение это вид обработки металлов давлением, при котором формоизменение заготовки 2 осуществляется за счет ее протягивания через постепенно сужающееся отверстие в специальном инструменте, называемом волочильной матрицей 1 (рис. 3.36). При этом уменьшается площадь поперечного сечения заготовки и увеличивается ее длина. Изделие приобретает профиль, соответствующий конфигурации отверстия матрицы.

Волочением обрабатывают катанные и прессованные заготовки из стали, цветных металлов и их сплавов как в горячем виде, так и в холодном. В результате получают самые разнообразные профили (рис. 3.37). В отличие от прессования волочением невозможно получить пустотелый профиль (трубу) из заготовки сплошного поперечного сечения. В этом случае необходимо иметь пустотелую заготовку. Волочением труб по схеме, указанной на рис. 3.36 (т.е. с помощью только матрицы), не удается изменить толщину стенки изделия. При необходимости деформирования стенки пустотелой заготовки внутрь ее помещают дополнительный инструмент – оправку. Оправки бывают подвижными (недеформируемыми и деформируемыми) (рис. 3.38 а, б), закрепленными (рис. 3.38 в) и самоустанавливающимися (рис. 3.38 г). Применение оправок позволяет также повысить качество внутренней поверхности трубы.

Особенностью процесса волочения является приложение постоянного растягивающего усилия к части заготовки, вытягиваемой из матрицы. Для предотвращения ее обрывов необходимо создать условия, при которых формоизменение заготовки будет происходить только в зоне деформации, расположенной внутри матрицы. Пластическая деформация переднего конца изделия должна быть исключена. Это достигается конструкцией отверстия матрицы, выбором размеров заготовки и подбором смазки. Для того, чтобы заготовку не оборвало, необходимо добиться, чтобы растягивающие напряжения в ней не превышали величины 0,6 σ В (временного сопротивления) материала заготовки. Количественно деформацию при волочении можно оценить коэффициентом вытяжки - отношением площади исходного попереч ного сечения к конечному.

В связи с тем, что на выходящем из волочильной матрицы конце изделия пластическая деформация недопустима, величина коэффициента вытяжки ограничена, и при обработке в холодном состоянии не должна превышать за один проход значения 1,05 … 1,5. В связи с низким коэффициентом вытяжки обычно для получения необходимых размеров профилей процесс волочения повторяют многократно через ряд постепенно уменьшающихся отверстий, а для восстановления пластичности металл, упрочненный волочением, подвергают промежуточному рекристаллизационному отжигу после одного - двух переходов.

Сортамент изделий, изготовляемых волочением, очень разнообразен. Это проволока диаметром 0,002 … 10 мм, разнообразные фасонные профили, примеры которых показаны на рис. 3.37, прутки диаметром 3 … 150 мм, трубы диаметром от капиллярных до 500 мм и с толщиной стенки 0,1 … 10 мм, сегментные, призматические и фасонные шпонки, шлицевые валики.

Инструментом для волочения являются волочильные матрицы и оправки. Их изготавливают из инструментальных сталей, металлокерамических и минералокерамических сплавов и технических алмазов (для волочения проволоки диаметром менее 0,2 мм).

Волочение производят на волочильных станах. Они бывают периодического и непрерывного действия. Из станов периодического действия наиболее распространены цепные станы (рис. 3.39). Конец заготовки 7 пропускается через отверстие в матрице 8и захватывается клещами 6, которые закреплены на каретке 5. Перемещение каретки по станине 1 происходит при зацеплении крюка 2 за ось бесконечной пластинчатой цепи 3, приводимой в движение от электродвигателя. Когда изделие выходит из матрицы, натяжение между крюком и цепью уменьшается и противовес 4 поднимает крюк и отсоединяет его от цепи.

Станы периодического действия просты в устройстве и эксплуатации, однако длина обрабатываемой здесь заготовки невелика (6 … 7 метров), а скорость процесса небольшая - 10 … 20 м/мин.

Станы непрерывного действия более быстроходны и позволяют обрабатывать заготовки длиной десятки тысяч метров.

Из непрерывных станов чаще всего встречаются барабанные (рис. 3.40). Такие станы обрабатывают заготовку 1, свернутую в бухту. Бухту размещают на размоточном столе 2, передний конец заготовки пропускают через волочильную матрицу 3 и закрепляют на барабане 4, который приводится в движение с помощью электродвигателя 6 через привод 5. Стан включают и осуществляют процесс волочения, причем изделие также сматывается в бухту на барабане. Это обеспечивает компактность обрабатываемого материала, что очень важно при транспортировке, хранении и термообработке. Кроме этого снижаются технологические отходы, а скорость процесса увеличивается в среднем до 10 м/с (известны барабанные станы для волочения тонкой проволоки, осуществляющие процесс со скоростью до 40 м/с). Кроме однобарабанных станов, существуют многобарабанные конструкции (рис. 3.41). Их называют также станами многократного волочения. Здесь заготовка 4 последовательно проходит через несколько (до 20) волочильных матриц 5. Заготовка после прохождения через отверстия каждой матрицынаматывается на промежуточные тянущие барабаны 3, а затем на приемный барабан (на схеме не показан). Скорость вращения каждого последующего барабана возрастает пропорционально удлинению заготовки.

Технологический процесс волочения включает следующие основные операции.

1) Предварительная термическая обработка - рекристаллизационный отжиг, с целью повышения пластичности металла.

2) Очистка заготовки от окалины (металл протравливают в растворах кислот и затем последовательно промывают горячей и холодной водой).

3) Покрытие поверхности заготовки тонким слоем гидрата окиси железа или медью, фосфатом, известью для удержания смазки на поверхности металла.

4) Заострение концов заготовки для удобства протягивания ее через отверстие и захвата клещами волочильного стана.

5) Волочение в один или несколько проходов в зависимости от требуемой степени деформации.

6) Межоперационная термическая обработка для снятия наклепа (после термической обработки - очистка заготовки и нанесение подсмазочного слоя).

7) Отделка готовой продукции.

Процесс волочения имеет следующие достоинства.

1) Высокая точность геометрических размеров изделия, определяемая только размерами отверстия матрицы (допуск 0,02 мм).

2) Высокое качество поверхности соизмеримое со шлифованием при обработке резанием.

3) Высокая производительность. Скорость волочения проволоки на станах непрерывного действия достигает 10 м/с, а для тонкой проволоки – 40 … 50 м/с.

4) Повышение прочности изделия за счет наклепа при холодной обработке.

5) Малая стоимость инструмента и оборудования.

6) Возможность получения длинномерных профилей (десятки тысяч метров), которые не удается получить другими способами.

7) Малые технологические отходы металла.

Недостатки процесса.

1) Сортамент изделий, получаемых волочением, ограничен, как и размеры профилей.

2) При обработке стали требуются неоднократные отжиги и травление поверхности для удаления окалины.

КОВКА

Ковка является одним из важнейших способов получения заготовок в машиностроении. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковками. Ковкой получают разнообразные по форме и размерам поковки массой от 0,1 кг до 300 тонн. При последующей обработке на металлорежущих станках из поковок получают готовые изделия. Исходными заготовками для ковки являются металлические слитки и прокат. Особенностью ковки является нагрев заготовки перед ее деформированием.

Ковка заключается в формоизменении нагретой заготовки рабочими поверхностями универсального инструмента (бойками) при свободном течении металла в стороны. Ковкой изменяют конфигурацию заготовки за счет многократного последовательного воздействия бойками на отдельные ее участки, в результате чего заготовка, деформируясь, постепенно приобретает заданную форму и размеры.

Воздействие на заготовку может быть ударным, если она обрабатывается на молоте, или статическим – при обработке на прессе.

Для выполнения операций ковки используют основной технологический, поддерживающий (вспомогательный) и контрольно-измерительный инструменты. К основному инструменту относят бойки (плоские и вырезные), топоры, раскатки, прошивни, оправки, подкладные штампы и т.п. Поддерживающий инструмент- это клещи, патроны, консольные поворотные краны, ковочные манипуляторы. Контроль размеров поковок осуществляют с помощью линеек, штангенциркулей, скоб, шаблонов и т.п. Используемые для ковки инструменты считаются универсальными по той причине, что они оказываются пригодными для изготовления различных по конфигурации поковок.

Хотя ковка и уступает горячей объемной штамповке по производительности и точности поковок, однако имеет свою рациональную область применения. Это прежде всего выпуск малых серий поковок небольшой и средней массы (100…200 кг), когда изготовление дорогостоящих штампов для горячей объемной штамповки экономически нецелесообразно. В таких случаях более экономична ковка на молотах универсальным инструментом - бойками. Крупные поковки (особенно массой десятки и сотни тонн) удается изготовлять только ковкой на гидравлических прессах. В общем выпуске поковок, производимых в нашей стране, в среднем 30% приходится на кованые поковки, а 70%- на штампованные. Однако, например, в тяжелом машиностроении число кованых поковок достигает 70%.

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ КОВКИ

Ковка может быть машинной на молотах и прессах и ручной. Ручная ковка применяется для изготовления художественных изделий, а также используется в ремонтном деле для мелких работ.

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций.

Операция – это часть технологического процесса, которая выполняется на одном рабочем месте с использованием определенной группы инструмента и включает в себя последовательность действий над заготовкой с целью получения поковок требуемой формы и заданных свойств. Операция состоит из серии переходов. Переход – это часть операции, в процессе которой обрабатывается один участок заготовки одним и тем же инструментом на одном рабочем месте.

Таким образом, каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом. К основным операциям ковки относятся: осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка, скручивание, сварка, штамповка в подкладных штампах.

Осадка - операция, заключающаяся в увеличении площади поперечного сечения заготовки при уменьшении ее высоты (рис. 3.42). Осадку производят бойками или осадочными плитами. Для получения качественной поковки рекомендуется исходную цилиндрическую заготовку выбирать с отношением ее высоты h заг к диаметру d заг не более 2,5, во избежание возможного продольного искривления изделия. Торцы заготовки должны быть ровными и параллельными. Разновидностью осадки является высадка , при которой металл осаживают лишь на части длины заготовки 1 за счет использования подкладного инструмента 2, в результате чего формируется местное утолщение поковки (рис. 3.43).

Протяжка - операция, заключающаяся в уменьшении площади поперечного сечения заготовки или ее части за счет удлинения заготовки. Протяжка осуществляется последовательными ударами или обжатиями отдельных, примыкающих друг к другу участков заготовки при ее подаче вдоль своей оси (рис. 3.44). Сумма определенного числа ударов или обжатий, выполняемых осуществляемых последовательно до определенной толщины заготовки, называется проходом. Два последовательных обжатия с промежуточной кантовкой (поворотом) поковки на 90° называются переходом.

Протяжку выполняют плоскими или вырезными бойками. Ковка в вырезных бойках (рис. 3.45) позволяет избежать ковочных трещин (особенно в случае протяжки осесимметричных заготовок) при ковке низко-пластичных сталей и сплавов и получить более точные размеры поковки.

Деформация при протяжке выражается величиной уковки, и характеризуется отношением площади поперечного сечения исходной заготовки F H к площади конечного поперечного сечения F K .

Чем больше уковка, тем лучше структура металла и выше его механические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поковок требуемой формы, но и для повышения качества металла.

Существует ряд разновидностей протяжки.

Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины в этом месте (рис. 3.46).

Протяжка с оправкой - операция уменьшения толщины стенок заготовки с отверстием при сопутствующем увеличении длины поковки (рис. 3.47). Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3 и верхнем плоском 2) на слегка конической оправке 1. Для облегчения удаления оправки из поковки куют в направлении к расширяющемуся концу оправки.

Раскатка на оправке - операция уменьшения толщины стенок кольцевой заготовки при увеличении наружного и внутреннего ее диаметров (рис. 3.48). Кольцевая заготовка 1 опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 2, устанавливаемую концами на подставках (люнетах) 3, и деформируется между оправкой и узким длинным плоским бойком 4. После каждого удара или нажатия заготовку поворачивают относительно оправки. При раскатке на оправке ширина кольца несколько увеличивается.

Прошивка - операция получения сквозных или глухих полостей в заготовке за счет вытеснения металла из зоны его контакта с инструментом (рис. 3.49). Прошивка является самостоятельной операцией, служащей для образования углублений или отверстия в поковке либо подготовительной операцией для последующей протяжки или раскатки заготовки на оправке. Инструментом для прошивки являются прошивни, сплошные и пустотелые (рис. 3.50). Отверстия диаметром до 500 мм пробивают сплошным прошивнем с применением подкладного кольца, а отверстия большего диаметра прошивают полым прошивнем. Диа метр прошивня должен быть не более 1/2-1/3 наружного диаметра заготовки. При большем диаметре прошивня форма поковки значительно искажается. В высоких поковках сначала прошивают отверстие с одной стороны (примерно на 3/4 глубины), а затем этим же прошивнем заканчивают прошивку с другой стороны, перевернув поковку на 180 0 . При сквозной прошивке тонких поковок 1 применяют подкладные кольца 2. Прошивка сопровождается отходом части металла 3, которую называют выдрой (рис. 3.51).

Отрубка - операция полного отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента (рис. 3.52). Инструментом для рубки служат прямые и фигурные топоры и зубила (рис. 3.53). Отрубку топорами осуществляют для удаления прибыльной и донной частей слитка, излишков металла на концах поковок или для разделения длинной заготовки на более короткие части. Разновидностью отрубки является надрубка, служащая для образования в поковке уступов, заплечиков.

Гибка - операция образования или изменения углов между частями заготовки или придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 3.54). Гибку осуществляют с помощью различных опор, подкладок, приспособлений и в подкладных штампах. Этой операцией получают угольники, скобы, крюки, кронштейны и т. п. При выборе исходной заготовки следует учитывать искажение первоначальной формы и уменьшение площади поперечного сечения поковки в зоне изгиба, называемое утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления.

Скручивание - операция, в ходе которой обеспечивается поворот одной части заготовки относительно другой на заданный угол вокруг продольной оси (рис. 3.55). Скручивание применяется при изготовлении коленчатых валов, сверл и т. п. При скручивании используют ключи, воротки, лебедки, кран-балки.

Сварка - операция образования неразъемного соединения путем совместного пластического деформирования предварительно нагретых заготовок (рис. 3.56).

Штамповка в подкладных штампах – ковочная операция, позволяющая изготавливать достаточно сложные по конфигурации поковки (рис. 3.57). Используется при изготовлении небольшой партии таких поковок, как головки гаечных ключей, головки болтов, диски со ступицей, втулки с буртом и т.п. Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка.

При изготовлении конкретной детали операции ковки чередуются в определенной последовательности.

Примером работ, выполняемых свободной ковкой, служит ковка рычага с вилкой (рис. 3.58, а).

Заготовкой для ковки служит пруток прямоугольного сечения. Нагретую заготовку протягивают на прямоугольник требуемого размера, после чего трехгранными призмами ее надрубают (рис. 3.58, б).

Рис. 3.58. Последовательность ковки рычага с вилкой:

а- деталь, б- надрубка, в, г, д - протяжка и надрубка, е- гибка, ж- протяжка

Протянув концы заготовки до толщины головки, делают новые надрубки (рис. 3.58, в), и протягивают каждый конец до требуемого размера (рис. 3.58, г, д). Далее заготовку изгибают и, заложив в середину вилки вкладыш, выглаживают ее. Затем надрубают конец вилки (рис. 3.58, е) и протягивают призмой (рис. 3.58, ж). После этого придают окончательный вид концу вилки с тем, чтобы получить заданную форму поковки.

Оборудование для ковки

Операции ковки выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты - машины ударного действия, в которых деформирование металла заготовки происходит за счет кинетической энергии подвижных частей, накопленной к моменту соударения с заготовкой. Скорость движения рабочего инструмента в момент удара составляет 3 … 8 м/с, время деформирования - сотые доли секунды. Основной характеристикой молота является масса подвижных (чаще всего пáдающих) частей.

В зависимости от типа привода молоты бывают пневматическими, паровоздушными, механическими, гидравлическими, газовыми, взрывными и др.

По принципу работы молоты бывают простого и двойного действия. У молотов простого действия привод служит только для подъема ударных (падающих) частей, а их движение вниз осуществляется под действием сил тяжести. Привод молотов двойного действия служит как для подъема ударных частей, так и для их движения вниз. Кинетическая энергия падающих частей молотов двойного действия вследствие этого больше, чем молотов простого действия, при одинаковых их массах.

Из приводных молотов наибольшее применение получили пневматические. Подвижными, или в данном случае пáдающими частями являются поршень, его шток и верхний боек. В пневматическом молоте подъем и опускание поршня, к штоку которого крепится верхний боек, совершается с помощью сжатого воздуха давлением 0,2 … 0,3 МПа. Сжатый воздух поступает в рабочий цилиндр от поршневого компрессора, приводимого в движение кривошипно-ползунным механизмом от отдельного электродвигателя. Рабочий и компрессорный цилиндры расположены на одной станине. Пневматические молоты имеют массу падающих частей 50 … 1000 кг и применяются для ковки мелких поковок (до 20 кг).

Пневматические молоты нашли широкое применение в кузницах небольших заводов и мастерских на участках ручной ковки. Это объясняется их низкой стоимостью, простотой обслуживания и высокой надежностью. Достоинством пневматических молотов также является использование электрической энергии, а не пара или сжатого воздуха, применение которых дороже и сложнее (как в случае использования паровоздушных молотов).

Ковочные пневматические молоты обладают следующими характеристиками: масса ударных частей составляет 50 … 150 кг, число ударов - соответственно 225 … 95 в мин. Применяют эти молоты для получения небольших поковок (0,5 … 20 кг) из сортового проката.

Пневматический молот двойного действия (рис. 3.59) оснащен двумя цилиндрами: компрессорным 5 и рабочим 2. Поршень компрессорного цилиндра 4 получает возвратно-поступательное движение от кривошипно-ползунного механизма 6. Воздух, сжатый в компрессорном цилиндре, подается по каналам 3 в верхнюю или нижнюю часть рабочего цилиндра, перемещая соответственно вниз или вверх поршень рабочего цилиндра 1, изготовленный заодно со штоком 11. На штоке закреплен верхний боек 10. Нижний боек 9 крепится к подушке 8, установленной на шаботе 7. Масса шабота превышает массу падающих частей в 10 … 15 раз.

Внешний вид пневматического молота представлен на рис. 3.60.

Основным видом молотов для ковки являются паро-воздушные молоты двойного действия. Масса падающих частей таких молотов составляет 1000 … 8000 кг, а число ударов - соответственно 71 … 34 в мин. Данные молоты предназначены для изготовления средних по массе поковок (20 … 350 кг). Паро-воздушные молоты приводятся в действие паром, поступающим по трубопроводу от котла под давлением 0,7 … 0,9 МПа, или сжатым воздухом, который подается от компрессора под давлением до 0,7 МПа. По типу станин паро-воздушные молоты бывают одно- и двухстоечными. Двухстоечные молоты выпускаются арочного и мостового типов.

Между валками по направлению стрелки. В процессе прохода между валками высота заготовки Н уменьшается до h , а длина увеличивается. Величина Н- h называется абсолютной величиной сжатия , а отношение ( H - h )/ H * 100% — степенью обжатия , или относительным обжатием .

процесса прокатки" width="293" height="250">

прокатки металла" width="353" height="375">

а — листа, б — профилей

Несколько оборудованных специальными вспомогательными устройствами соединенных между собой клетей составляют прокатный стан .

Станы, в зависимости от изготовляемой продукции, бывают листопрокатные (производство листов), сортопрокатные (производство балок, прутков, полос), трубопрокатные (производство труб), рельсобалочные и специальные.

Прокатные станы большой мощности, предназначенные для предварительной обжимки крупных слитков, называются блюмингами и слябингами. Блюминги с диаметром валков от 840 до 1150 мм позволяют получать продукцию в виде обжатых слитков сечением от 140 х 140 до 450x450 мм. Такие обжатые слитки квадратного сечения (блумсы) весят до 10—12 т и более.

Листовой прокат различается:

профилей проката" width="650" height="198">

Рис. 3. Основные виды профилей проката: а — квадратная сталь, б — круглая сталь , nbsp; в — полосовая сталь , nbsp; г — треугольная, опальная, полукруглая, сегментная, д — угловая сталь неравнобокая и равнобокая, е — швеллеры, ж — двутавровая сталь , э — тавровая сталь , и — рельсы, к — зето вая сталь , л — колонная сталь

Бесслитковая прокатка.

Способом, показанным на рис. 4, прокатывают жидкий металл, который из ковша 1 через желоб 2 направляют в воронку 4 между двумя вращающимися валками 3, охлаждаемыми водой.

Трубный прокат.

Особой отраслью прокатки является производство труб , которые широко используют в машиностроении, строительстве зданий, в разведочном бурении, для водо-, нефте- и газопроводов и т. д.

Огромной потребностью народного хозяйства в производстве труб вызвано изобретение станов сверхвысокой скорости. Самой высокой в мире скоростью обладают агрегаты печной сварки труб , работающие на Челябинском и Таганрогском металлургических заводах. Ежеминутно