Фізико-металургійний факультет
Спеціальність: Обробка металів тиском
Технологія одержання прямокутної сортової заготовки в гладких валках, називається також безкалібровою прокаткою (БКП), полягає в тім, що полоса яка прокатується, обжимається послідовно гладкими горизонтальними й вертикальними валками або тільки горизонтальними валками з кантуванням розкатів на 90 градусів після кожного проходу або через один прохід у всіх клітях стана крім чистових, що мають калібри, які відповідають за формою й розмірами готовому прокату [1]. Остаточне формування профілю необхідного поперечного перерізу виробляється в наступних напівчистових і чистових проходах прокаткою в калібрах.
Способи реалізації безкалібрової прокатки
З існуючих і найбільш застосовних у цей час слід зазначити наступні різновиди безкалібрової прокатки (БКП), що розрізняються величинами обтиснень по проходах:
Перераховані схеми безкалібрової прокатки можуть реалізовуватися на існуючих реверсивних і безперервних станах [2]. Останнім часом за рубежем намітилася тенденція будівництва прокатних станів, споконвічно призначених для деформування в гладких валках. Фірмою "Morgan Construction" (США) виготовлений чотирьохклітьовий прокатний стан для прокатки за схемою RER-штаб 76-76 мм й 50-100 мм із заготовки 180-180 мм у клітях з горизонтальними й вертикальними валками, які чергуються. Таке технічне рішення знизило габарити стана на 85% (для освоєння цього виробництва був потрібний шістьохклітьовий прокатний стан традиційного компонування) .
На заводі ЕдЕльштальверк (Угорщина) працює дрібносортний стан фірми СКЕТ, що складається з 18 вертикальних і горизонтальних клітей, які чергуються. У п'ятьох клітях чорнової групи технологією БКП способом БКП із заготовки 100-84 мм одержують розкати 52-51 мм [3]. У наступних групах клітей традиційною прокаткою одержують круглі профілі діаметром 8-50 мм, квадратні зі стороною 10-41 мм, штабові шириною 20-70 мм і товщиною 5-30 мм та арматурну сталь діаметром 10?40 мм. У роботі відзначається гарна якість прокату й істотне зниження зношування валків, що підвищує ефективність роботи стана. У роботі [4] відзначається, що застосування технології БКП підвищує вихід бездефектного прокату на 8 - 10%, що підтверджується результатами дефектоскопії металу. Оглядова інформація показує, що в сортамент матеріалів, які прокатують у гладких валках, входять вуглецеві, леговані сталі і сплави. Із застосуванням БКП роблять заготовку, сортовий прокат простої форми, катанку і арматурні профілі для залізобетонних конструкцій.
Безкаліброва прокатка освоєна і широко застосовується за рубежем фірмами "Process Metallurgy", "Scandinavian Engineering", "Morgan Construction", "Кавасакі сэйтэцу". Із квадратних заготовок зі сторонами від 42 до 250 мм за різне число проходів (від 3 до 17) одержують готовий прокат круглого або квадратного перерізу в розмірному діапазоні від 8 до 150 мм. Відзначається, що при переході від прокатки в калібрах на БКП, кількість проходів не збільшувалося [3,4].
У Російській металургії для умов діючого встаткування розроблена технологія безкалібрової прокатки для стана 300-2 заводу «Мечел» (м. Челябінськ) і стана 250/150 ПО "ІЖСТАЛЬ" (м. Іжевськ) без зменшення сортаменту стана, а також для виробництва дрібних профілів зі сплавів титана на сортових станах ВІЛС (м. Москва) і ВСМПО (м. Верхня Салда) . З 1991 року бескалибровая прокатка використається в обтискній групі клітей стана 150 ВАТ «БМК» (м. Бєлорєцьк) [5,6]. У всіх випадках відзначається ряд реальних технічних, організаційних і економічних переваг БКП у порівнянні із традиційною технологією [7], однак відомості про порівняння обсягів виробництва прокату в калібрах і із застосуванням БКП у літературі відсутні.
У реальних промислових умовах виробництво прямокутної заготовки може реалізовуватися декількома способами, що мають розходження як у режимах прокатки, так і у складі застосовуваного встаткування. Відповідно до патентів [8,9] прокатувати штабу в гладких валках треба з початковим співвідношенням сторін і з таким обтисненням, щоб у отриманого розкату досягалося таке ж співвідношення сторін. Оптимальним є співвідношення сторін 2,1, а використання валкових арматур спеціальної конструкції запобігає втраті сталості штаби.Наведені формули свідчать про відсутність єдиної думки за методикою визначення розширення, необхідного для конструювання утримуючої проводкової арматури. Крім того, по наведених закономірностях не представляється можливим визначати розширення штаби в проміжних перерізах осередку деформації, що необхідно для конструювання утримуючої проводкової арматури. За результатами аналізу робіт [1, 2,3,4,19] Л.Е. Кандауровим [6] визначені основні достоїнства БКП у порівнянні із прокаткою в калібрах:
Підвищення якості прокату і збільшення виходу придатного у зв'язку з відсутністю дефектів, викликаних переповненням і не заповненням калібрів, неточним настроюванням і нерівномірним зношуванням калібрів. Збільшення терміну служби валків в 3 - 6 разів у зв'язку з: - більш ефективним (на 20...30%) використанням ширини бочки валка і його радіального розміру; - меншим зношуванням валків через більш раціональну схему деформації і меншого (на 5...10 %) зусилля прокатки; - збільшенням періодів між відновленнями валків завдяки значному підвищенню їхньої твердості через можливість проведення їх термообробки і шліфування при ремонті.
Більш високий коефіцієнт використання стана через скорочення сумарних простоїв при перенастроюваннях на інші типорозміри, при перевалках і при зміні калібрів. Значне скорочення машинного часу і витрат на виготовлення і відновлення валків. Значне скорочення парку валків і деталей проводкової арматури. Безкаліброва прокатка може бути адаптована до застосування на існуючих заготовочних і сортових станах при невеликих капітальних витратах. Поряд з очевидними достоїнствами прокатка високих прямокутних штаб на гладкій бочці має ряд недоліків. У роботах [4,20] відзначається, що штаба при виході із гладких валків має більш гострі кути, чим при прокатці в калібрах. При завданні такої штаби в овальний калібр гострі кути загинаються, що надалі приводить до утворення закатів. Крім того, гострі кути можуть стати причиною утворення поперечних тріщин термічного походження. Подвійна бочка, що виникає при прокатці високої штаби з низькими обтисненнями також може приводити до утворення дефектів. Найбільш значний недолік безкалібрової прокатки - низька сталість високої штаби при прокатці, недостатня вивченість якої стримує більше широке застосування БКП.
Як відзначалося вище, широке поширення технології виробництва прямокутної штаби в гладких валках стримується рядом недосконалостей цієї технології, з яких найбільш істотна недостатня сталість високої штаби при прокатці її в гладких валках. Одним з основоположників ідеї застосування безкалібрової прокатки можна вважати А.Ф. Головіна, який відзначав, що при належному забезпеченні сталості «...прокатка в гладких валках, безсумнівно, витисне прокатку в струмках» [21].
Недостатня сталість штаби, що характеризується зміною заданого положення штаби, приводить до утворення різниці діагоналей поперечного перерізу розкату, до його скручування [6, 22, 23]. Проблеми підвищення сталості штаби в різний час вивчалися в роботах [1,2,4,5, 7,8,9]. Значний внесок в вивчення питань сталості штаби при безкалібровій прокатці і способів її підвищення внесли: А.Ф. Головін, И.М. Павлов, А.П. Чекмарев, Б.П. Бахтинов, М.М. Штернов, В.В. Швейкін, В.А. Тягунов, Ю.М. Чижиков, П.И. Полухін, Б.В. Мерекін, Н.Ф. Гріцук, М.Я. Бровман, В.Н., Т. Янадзава, Чжан Вэйган, В.Н. Видрін, Ф.С. Дубінський, К.Г. Шиколенко, Ф. Флемінг, В.С. Берковський, В.К. Смірнов, В.А. Шилов, Ю.В. Гнатовіч, В.А. Харитонов, Б.А. Нікіфоров, А.А. Морозов, Л.Е. Кандауров й інші вітчизняні і закордонні дослідники. Проблема сталості штаби актуальна для будь-якого способу прокатки, однак, при прокатці високої штаби в умовах блюмінгів і заготовочних станів вона здобуває особливо важливе, визначальне значення. Поняттю «висока штаба» дається визначення в роботах [6, 27].
Втрата сталості на готовій штабі виражається перекосом форми поперечного перерізу (ромбічністю), що передують звалювання, а потім згортання [27]. У роботі [27] наведена класифікація, яка описує стан штаби з погляду її потенційної енергії при прокатці. Сталість штаби при прокатці може бути: - природною (якщо штаба має мінімум потенційної енергії), що досягається створенням відповідних калібрувань і режимів прокатки; - частковою або неповною, залежною від сполучення конкретних умов прокатки; - штучною (при максимумі потенційної енергії), при якій стійке положення штаби досягається застосуванням спеціальних пристроїв - валкових арматур.
У ранніх роботах із проблем сталості досліджується вплив факторів першої групи. А.Ф. Головін [21] і В.Д. Трофимчук основну роль втраті сталості відводили вихідної ромбічності заготовки. У більш пізніх роботах виведені кількісні залежності впливу цих факторів. Розрахунки по наведених методиках показують, що вихідна якість заготовки, виготовленої відповідно до нормативних вимог , дозволяє робити прокатку в гладких валках якісної продукції не менш чим у п'ятьох проходах підряд. У роботі [37] відзначається особлива роль схрещування осей валків на виникнення ромбічності штаби, однак аналітичні залежності відсутні. Також слід зазначити, що сучасні конструкції прокатних клітей, підшипникових вузлів, а також методи контролю практично виключають схрещування осей валків. І.М. Павлов [55] і В.Е. Грум-Гржимайло , аналізуючи втрату сталості штаби, як першопричина висувають нерівномірне нагрівання злитків по довжині і по поперечному перерізі, що спричиняє неоднорідні пластичні властивості і, як наслідок, нерівномірне розширення. Б.Е. Хайкін експериментально вивчав вплив неоднорідності матеріалу і дефектів штаби на її сталість у зоні деформації, однак присутність цих факторів на практиці врахувати практично неможливо. Крім того, рівень сучасного розвитку технології металургії наявність сучасних методів вхідного контролю прокатки дозволяє вплив цих факторів не враховувати. Автори багатьох досліджень однозначно відзначають негативний вплив на сталість високої штаби при прокатці в гладких валках вихідної ромбічності штаби, однак кількісні характеристики в різних роботах мають значні розбіжності.
Вплив факторів другої групи на перекручування форми поперечного перерізу штаби в літературі оцінюється неоднозначно і тому, викликаючи особливий інтерес, вимагають більше докладного розгляду. При цьому варто враховувати, що їх вплив на сталість штаби в калібрі, а отже і на перекручування форми поперечного перерізу штаби, як правило, розглядається не суверенно, а в комплексі із групи факторів. Вплив відносини висоти підкату H до його ширини B (H/B) на ромбічність штаби розглянуто в роботах [9,18]. У перерахованих роботах для забезпечення стійкого положення штаби у валках рекомендується вести прокатку при H/B=1,5...2,5. У той же час на підставі експериментальних даних робиться вивід, що штаба втрачає сталість при Н/В>1,5. Також відзначається, що при H/B>>1,5 можливо подвійне бочкоутворення, яке приводить надалі до появи зморшок у наступних проходах.
По патенту [14] співвідношення сторін заготовки в проміжних проходах може досягати В/Н=3,5...6, однак її прокатка в ребровому положенні повинна вестися із застосуванням дрібного закругленого калібру від співвідношення Н/В=3,5..6 до співвідношення h/b=1,5..3,5. Обтиснення, як одиничні так і сумарні, призначувані при безкалібровій прокатці, відповідають співвідношенню сторін поперечного перерізу штаби до і після прокатки. У роботах [6, 45] описані реалізовані режими БКП із одиничним обтисненням e=46...49%. При цьому отримані розкати правильної геометричної форми. У роботі [14] рекомендуються обтиснення 60 і більше відсотків. Разом з тим, дослідження якості металу отриманого прокаткою високих штаб у гладких валках показали, що «...обтиснення не повинні перевищувати 40..45%, у противному випадку на вільній поверхні виникають розтягуючи напруги, що сприяють розвитку дефектів» [5]. По рекомендаціях роботи [14] одиничні обтиснення не повинні перевищувати 43%. З метою забезпечення стійкої прокатки високої штаби в гладких валках у роботі [16] рекомендується при співвідношенні сторін Н/В=2,0..5,0 робити прокатку в валках, у яких діаметр становить D=0,8Н. Відзначається, що поряд з гарною якістю розкатів при такому діаметрі валків прокаткою до h/b=0,2..1,0 досягається величина витяжки до 2,5.
Як відзначалося раніше, прокатка високих штаб у гладких валках виробляється із застосуванням спеціальною утримуючою проводкою арматури. У роботі [10] відзначається, що "...розробка режимів безкалібрової прокатки не викликає труднощів, але одержання якісного прокату неможливо без застосування спеціальної утримуючої ввідної проводкової арматури, що забезпечує стійке положення штаби при прокатці". Така ж роль ввідної проводкової арматурам приділяється і у дослідженнях [5, 47]. Конструкції проводкової арматури, які застосовувані при прокатці високих штаб у гладких валках досить повно описані в роботі [52] і характеризуються тим, що всі звичайні вимоги, такі як забезпечення співвісності осі розкату з лінією прокатки і запобігання повороту штаби щодо осі прокатки, властиві традиційній прокатці в калібрах [6, 22, 48, 52], повинні виконуватися більш ретельно, точно і надійно.
При традиційній прокатці в калібрах високої штаби її стійке положення забезпечують бічні стінки калібру, взаємодіючі зі штабою безпосередньо у зоні деформації. Відсутність струмків при БПК заповнює додатковими конструктивними елементами ввідної проводкової арматури: утримуючими елементами, розташованими безпосередньо в міжвалковому зазорі і взаємодіючими із штабою, яка прокатується, чим досягається стійке і стабільне положення розкату безпосередньо у зоні деформації.
Відсутність утримуючих елементів приводить до втрати сталості штаби, веде до серйозних перекручувань форми поперечного перерізу розкатів і навіть робить подальшу прокатку неможливою. Більшість застосовуваних у цей час конструкцій є проводками ковзання, які можна не тільки максимально наблизити до зони деформації, але і встановлювати безпосередньо в міжвалковому зазорі. Для виключення налипання металу на робочі поверхні поздовжніх направляючих і утримуючих елементів (особливо при прокатці легованих сталей і сплавів) широко застосовуються матеріали, мало піддані налипанню і зношуванню. Існує конструкція [53] у якій положення підкату стабілізується "...за допомогою струменів води належної сили...". Причому одночасно відбувається гідрозбив окалини і охолодження валків, що, на думку авторів, приводить до підвищення якості продукції. Існують конструкції утримуючих арматур, застосовувані при реалізації БКП на реверсивних [2] і безперервних станах . Валки реверсивного стана виконуються східчастими відповідно до обтиснень по проходах. Бічні напрямні мають таку конфігурацію, що зазор між ними і периферійними поверхнями валків становить 2..5 мм, а їх внутрішня бічна поверхня відповідає формі бічної поверхні штаби. Відстань між бічними напрямними виставляється таким чином, що штаба розташовується в арматурах із зазором 3 мм (при прокатці квадрата зі стороною 80?145 мм із квадратної заготовки 250 мм) [2].
У арматури для безперервних станів може бути передбачена можливість роздільного регулювання по ширині пропусків і поздовжніх направляючих з утримуючими елементами. Зазор між утримуючими елементами і штабою забезпечує поворот штаби не більш 30. В утримуючих арматурах з метою виправлення і стабілізації переднього кінця підкату, а також для більш точного його центрування можуть встановлюватися направляючі ролики з вертикальною або з горизонтальною [9] віссю обертання, а також ролики, встановлені у двох площинах [53]. Направляючі ролики можуть мати неглибокі врізи, причому така арматура може використовуватися і при прокатці в декілька ниток.
На ВАТ БМК впроваджена конструкція утримуючої ввідної проводкової арматури, що компенсує зношування поздовжніх направляючих і утримуючих елементів [6], використовувана при одержанні прямокутної заготовки 96х92мм із підкату 129х83мм. Конструктивна відмінність таких арматур полягає в тому, що опорні поверхні лінійок, оснащених утримуючими елементами, виконані з ухилом і сполучаються з бічними поверхнями корпуса, що мають похилі площадки з такими ж ухилами. При збільшенні зазору між штабою і утримуючими елементами внаслідок зношування, лінійки переміщаються по ходу прокатки, і зазор між штабою і утримуючими елементами знову приходить у відповідність із нормою. Недоліком такої конструкції є те, що для компенсації зношування потрібно досить значне переміщення утримуючих елементів в осьовому напрямку, що може привести до їх захвата валками. Дані про конфігурації робочих поверхонь утримуючих елементів і про монтажні зазори для цієї конструкції не приводяться. найрізноманітнішими способами і за допомогою багатьох видів конструкції. Однак, з описів представлених конструкцій неясно, на станах якого состава встаткування доцільно їх застосування. Всі описані конструкції відрізняє зайва складність, що приводить до зниження надійності. Застосування роликів вимагає постійного і трудомісткого обслуговування підшипникових вузлів, зношування роликів - регулярних замін і наявності відповідного парку роликів. Головною умовою успішної роботи описаної конструкції є наявність профільованих згідна бічної поверхні штаби утримуючих елементів, розміщених безпосередньо у зоні деформації. Профілювання робочих поверхонь утримуючих елементів є досить трудомісткою операцією і, крім того, бічна поверхня штаби в процесі прокатки може часто змінюватися через різноширинність штаби, нерівномірного нагрівання й т.п. Ця обставина також знижує функціональну надійність таких конструкцій.
У роботі [6] найбільше повно представлені вимоги до проводкової арматур для БКП, однак вони носять, в основному, загальний характер. У рекомендаціях для проектування і конструювання таких арматур не простежується зв'язок між конструктивними особливостями пристроїв і силових умов прокатки високої штаби в гладких валках, що може приводити або до нераціональної витрати матеріалів при виготовленні арматур або до недостатньої твердості і міцності, що забезпечують функціональну працездатність. Все перераховане значно ускладнює конструювання і проектування проводкової арматури конкретних технологічних схем і конкретних прокатних станів. Таким чином, створення надійних і дешевих конструкцій валкових арматур для здійснення БКП є дотепер актуальним завданням.