Прогрессивные технологические процессы (стр. 16 из 37)

3.3. Прокатка металлов и сплавов

Сортамент прокатных изделий весьма разно образен: листы, сортовой прокат (профили круглого, квадратного, шестигранного сечений, уголок, швеллер, тавр, двутавр, балки и т. д.), трубы, специальный прокат (кольца, бандажи, зубчатые колеса и шестерни, оси и валы, периодический профиль и т. д.). Совокупность профилей и их размеров, а также сплавов, из которых их изготавливают, называют сортаментом. Металлопрокат преимущественно выпускают металлургические заводы (комбинаты). Однако прокатка металлоизделий в последние годы широко применяется и на машиностроительных и приборостроительных предприятиях, поскольку является прогрессивным способом металлообработки, позволяющим обеспечить высокое качество продукции, огромную производительность и экономическую эффективность. В некоторых случаях прокатка является единственным способом производства изделий, в частности, листов, труб, высокопрочных сортовых профилей. По качеству выпускаемых изделий и производительности прокатка не имеет себе равных среди других способов металлообработки.

Важнейшим преимуществом прокатки является то, что наряду с формоизменением заготовки сплаву придают уникальные прочностные свойства. Поэтому не менее 80 % выплавляемых металлов и сплавов прокатывается, что позволяет многие предприятия обеспечить высококачественными заготовками и готовыми профилями (рельсы, балки, профили для рессор и пружин, колес, напильников, зубил, деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и т. п.). Для получения всего сортамента проката исходным материалом служат слитки, непрерывно литые заготовки, полупродукт (катаные блюмы, слябы, заготовки), а также сортовой, листовой и полосовой подкат. Различают прокат горячекатаный и холоднокатаный. Холодной прокаткой получают изделия, площади поперечного сечения которых относительно небольшие (тонкие листы, тонкостенные трубы и т. д.). Холодная прокатка отличается высокой точностью геометрических размеров получаемых металлоизделий и соответствующим качеством формируемых поверхностей.

Прокаткой называют процесс пластического формоизменения материала, последовательно увлекаемого в очаг деформации силами трения, действующими на контактной поверхности «реформируемая заготовка - движущийся инструмент». При прокатке одновременно подвергается пластической деформации не весь объем материала, а лишь его часть, находящаяся в очаге деформации. Это позволяет обрабатывать большие массы материала при оптимальных энергозатратах и размерах оборудования, производить обработку с огромными скоростями (50-100 м/с), обеспечивать высокую точность получаемых, изделий при минимальном ичносс инструмента.

Различают три основных способа прокатки, отличающихся направлением обработки или характером выполнения деформации: продольная, поперечная и поперечно-продольная (винтовая). Каждый из этих способов можно производить при нагреве обрабатываемых заготовок (горячая прокатка) и без нагрева (холодная прокатка).

Продольная прокатка наиболее распространена и, как правило, предшествует остальным способам. Сущность продольной прокатки состоит в том, что деформация заготовки осуществляется движущимся инструментом, векторы скоростей вращения которого на выходе из очага деформации параллельны оси обрабатываемой заготовки. Продольной прокаткой изготавливают листы, сортовой профиль, трубы, периодический прокат и ряд специальных видов металлоизделий.

Поперечная прокатка характеризуется движением обрабатываюшего инструмента перпендикулярно к оси прокатываемой заготовки (например, вращением валков в одну сторону, а круглой заготовки - в противоположную). Обжатие заготовки и придание ей формы обеспечивается соответствующей профилировкой валков и изменением межосевого расстояния. К поперечной прокатке относят поперечноклиновую прокатку, деформация заготовки при которой осуществляется поступательно или вращателъно перемещающимся клиновым инструментом, который внедряется в исходную заготовку, вызывая ее вращение. Поперечной прокаткой формируют на заготовке поверхности вращения и изготавливают ступенчатые валы и оси.

При поперечно-продольной прокатке деформация заготовки осуществляется вращающимися в одну сторону валками при вращении заготовки в противоположную сторону и непрерывном перемещении ее вдоль своей оси в направлении меньшего расстояния между валками. Перемещение заготовки вдоль своей оси осуществляется за счет контактного трения или за счет внешних сил. Винтовой прокаткой изготавливают периодический прокат, ступенчатые валы и оси, трубы.

Технологический процесс прокатки включает следующие операции: подготовка заготовки к деформации (разупрочняющая термообработка, удаление поверхностных дефектов, очистка поверхности от окалины и т. п.), нагрев заготовки, многократная деформация в прокатных валках, резка проката на мерные длины, охлаждение и термообработка, правка, отделка, контроль качества, упаковка. Нагрев слитков и заготовок перед прокаткой имеет целью улучшение исходной структуры металлов и сплавов, уменьшение сопротивления деформации и повышение технологической пластичности материала. Прокатка нагретой заготовки до оптимальной температуры (для сталей -8001250 °С) обеспечивает высокое качество проката, минимальный расход энергии, позволяет применить повышенные обжатия за проход, сокращает аварийные остановки оборудования.

К технологическим параметрам прокатки относят: температуру деформируемой заготовки, частное (за один проход между валками) и общее обжатие заготовки, скорость прокатки (скорость выхода заготовки из валков может достигать 100 м/с), диаметр валков и коэффициент контактного трения между инструментом и деформируемой заготовкой. Для характеристики деформации при прокатке используют абсолютные и относительные показатели: абсолютное обжатие – h = h₀ – h₁; относительное обжатие – _k = (h₀ – h₁)/ h₀; коэффициент вытяжки – = L₁/L₀, где h₀ , h₁ , L₀, L₁ соответственно высота и длина заготовки до и после деформации. Ширина заготовки изменяется незначительно.

Абсолютное и относительное обжатие заготовки за один проход ограничено условием захвата металла прокатными валками, а также их прочностью. Поэтому в зависимости от условий прокатки относительное обжатие за проход обычно не превышает 0,35-0,45. Кроме того, определенные ограничения накладывают физико-механические свойства деформируемого материала, особенно при холодной прокатке.

Основным деформирующим инструментом для прокатки металлоизделий обычно являются прокатные валки, в редких случаях используется и плоский клиновой инструмент. При изготовлении труб используют оправки (короткие, длинные, плавающие), назначение которых – оформлять внутреннюю поверхность полых изделий. Валок состоит из рабочей части, или бочки, двух опор, или шеек, и хвостовика для передачи крутящего момента вращающемуся валку. Валки бывают цельные и составные, ручьевые и безручьевые (с гладкой цилиндрической или конической поверхностью, например, для прокатки листов или сортового профиля). Прокатные валки являются деформирующим инструментом, воспринимающим высокие удельные и суммарные давления и работающим в тяжелых условиях (температура,трение скольжения). Валки изготавливают из чугуна, стали и твердых сплавов. Обычно рабочая поверхность валков должна иметь высокую твердость, особенно при холодной прокатке, которая характеризуется большими удельными нагрузками. Диаметр рабочей поверхности валка в зависимости от назначения прокатного оборудования может лежать в широких пределах - от 1 мм до 1800 мм. Малые диаметры применяют при холодной прокатке высокопрочных сплавов. В этом случае для обеспечения их нормальной эксплуатации применяют так называемые опорные валки, которые устанавливаются в специальных многовалковых клетях.

Прокатку осуществляют на специальном оборудовании, которое принято называть прокатным станом. Он включает комплекс технологических машин и устройств. Оборудование прокатного стана подразделяют на основное и вспомогательное. Основное оборудование предназначено для выполнения главной операции в технологическом процессе прокатки, т. е. для осуществления вращения валков и непосредственной пластической деформации заготовки для придания ей необходимых формы, размеров и свойств. Это оборудование принято называть главной линией прокатного стана. Различают станы одно-налковые, двухвалковые, многовалковые, линейные, непрерывные, полунепрерывные, заготовочные, листовые, сортовые, балочные, специальные и т. д.

Помимо пластической деформации, на прокатном стане выполняют другие разнообразные операции, которые можно разделить на четыре группы, предназначенные для: подготовки металла к прокатке; нагрева металла; транспортировки; отделки и контроля.

Подготовка металла к прокатке включает удаление с его поверхности дефектов и окалины, травление, очистку и соответствующее покрытие поверхности с целью оптимизации процесса прокатки и получения качественного изделия.

Удаление поверхностных дефектов производится строганием, обдиркой на токарных и абразивных станках, вырубкой пневматическими молотками и специальными машинами, огневой зачисткой.

Для нагрева заготовок применяют нагревательные устройства, тип и конструкция которых зависят от прокатного стана. На блюмингах и слябингах применяют нагревательные колодцы; мелкие слитки и заготовки нагревают в методических пламенных или электрических печах.