где D макси D мин, соответственно, максимальный и минимальный диаметры валка по бурту (определяются для каждого стана конструкцией стана и прочностью валка); D н – номинальный (средний) диаметр валка (входит в марку стана, например «блюминг 250»).
Для большинства сортопрокатных станов k составляет 0,08 – 0,12.
Изношенный валок могут восстанавливать также путем наплавки до максимального диаметра.
Радиусы закругления элементов калибра повышают прочность валков и снижают скорость охлаждения прокатываемых профилей.
Нейтральной линией калибра является линия, относительно которой прокатные валки оказывают одинаковое силовое воздействие на верхнюю и нижнюю части прокатываемого металла, в результате чего обеспечивается прямолинейный выход раската из валков. Для нахождения нейтральной линии в калибре рекомендуют использовать аналитический метод, основанный на составлении уравнений равновесия статических моментов.
В сортопрокатном производстве наиболее распространены 2-х валковые калибры, многовалковые калибры (в основном 3-х и 4-х валковые) применяются реже.
Название сортового стана позволяет приблизительно оценить его конструктивные параметры: габаритные размеры, размеры валков, станин, шпинделей и других основных деталей стана, примерную мощность привода, а главное, определяет размеры производимой на нем катаной продукции.
Двухвалковые калибры принято классифицировать по форме, конструкции и назначению.
В зависимости от формы калибры могут быть простыми и сложными (фасонными). Одним из основных признаков простых двухвалковых калибров называют такие калибры, которые, как сами, так и прокатываемая в них полоса имеют две оси симметрии. В перечень простых калибров входят ящичные, прямоугольные, квадратные, ромбические, овальные, полосовые, шестиугольные, многоугольные калибры. Фасонные калибры бывают уголковыми, рельсовыми, балочными, швеллерными и др. На рис. 7.3 представлены основные виды калибров. Ниже дается определение и описано применение основных видов калибров.
| 
| 
| |
| |||
| а | б | в | |
| 
| 
| 
|
| |||
| г | д | е | ж |
| 
| 
| 
|
| з | и | ||
| 
| 
| 
|
| к | л | м | н |
Рис. 7.3. Схемы калибров: а – ящичный; б – ромбический; в – квадратный; г – овальный; д – круглый; е – полосовой; ж – ребровой; з – шестигранный; и – многогранный; к – балочный черновой; л – балочный чистовой; м – уголковый черновой; н – уголковый предчистовой
Ящичный калибр [box pass] (рис. 7.3, а) формируется трапециевидными врезами в валки и применяется для прокатки прямоугольных и квадратных профилей на блюмингах, обжимных и непрерывных заготовочных станах, обжимных и черновых клетях сортовых станов, а также для получения товарных заготовок на рельсобалочных и крупносортных станах.
Ромбический калибр [diamond pass] (рис. 7.3, б) калибр ромбической конфигурации, врезанный в валки по малой диагонали. Этот калибр используется в качестве обжимного и предчистового калибров в системе калибровок ромб-ромб и ромб-квадрат. Угол при вершине калибра изменяется от 90 до 130°, а с увеличением угла повышается вытяжка в калибре, составляющая, в среднем, 1,2 – 1,3. Рекомендуемая степень заполнения ромбического калибра составляет 0,8 – 0,9.
Квадратный калибр [square pass] (рис. 7.3, в) имеет форму квадрата врезанного в валки по диагонали. В зависимости от требований к профилю проката калибр выполняется с закругленными или острыми вершинами. Этот калибр применяют в качестве черновых и чистовых калибров при прокатке квадратных профилей и вытяжного калибра в системах ромб – квадрат, овал – квадрат и шестигранник – квадрат. В черновых квадратных калибрах выполняют значительные закругления вершин.
Овальный калибр [oval pass] (рис. 7.3, г) врезается в валки по малой оси и применяется в качестве предчистового при прокатке круглых профилей и вытяжного в системе овал – ребровой овал и др. В зависимости от назначения калибра и размеров раскатов используют такие виды овальных калибров, как однорадиусные, применяемые в качестве предчистовых при прокатке круглой стали, эллиптические и двух- или трехрадиусные, применяемые как предчистовые при прокатке крупных кругов и в системах овал – круг и овал – овал, плоские овальные калибры и др.
Круглый калибр [round pass] (рис. 7.3, д) выполняется с контуром окружности на основной части периметра и используется в качестве чистового калибра при прокатке круглой стали и вытяжного – в системе овал – круг. Круглые калибры всех типов имеют выпуск или развал, например, при построении чистового калибра.
Полосовой калибр [strip pass] (рис. 7.3, е) по форме может варьироваться от прямоугольника до трапеции и применяется при прокатке в качестве чернового или чистового калибра при прокатке полосовой стали.
Ребровой калибр [vertical (edging) pass] (рис. 2.21, ж) образуется врезом в валки большого размера и применяется в частности, при прокатке полосовой стали для регулирования ширины раската. Предчистовой ребровой калибр формирует также кромки проката. Ребровой овальный калибр [vertical oval pass] – получают врезом в валки по большой оси овала и используют, как вытяжной в системе овал – ребровой овал.
Шестигранный калибр [hexahedral pass] (рис. 7.3, з) имеет форму шестигранного контура, врезанного в валки по большой диагонали. Разъем этого калибра расположен на его сторонах. Шестигранный калибр применяется в качестве чистового калибра при прокатке шестигранной стали и как черновой при прокатке шестигранной буровой стали, когда требуется равномерное и невысокое обжатие по проходам.
Шестиугольный калибр [hexagonal pass] врезается в валки по малой оси и применяется в вытяжной системе калибров шестиугольник – квадрат и как предчистовой при прокатке шестигранных профилей. Предчистовой шестиугольный калибр строят как обычный шестиугольный, но для компенсации уширения металла и предотвращения выпуклости боковых стенок чистового шестигранника дно калибра делают с выпуклостью 0,25 – 1,5 мм в зависимости от размеров профиля. Степень заполнения такого калибра принимают 0,9.
Многогранный калибр [polyhedral pass] (рис. 7.3, и) имеет сечение многоугольника и применяется в качестве предчистового калибра при прокатке круглой стали большого диаметра.
Балочный калибр [beam (girder) pass] (рис. 7.3, к, л) предназначен для прокатки черновых и чистовых двутавровых профилей. Балочные калибры бывают прямые (закрытые и открытые) наклонные и универсальные.
Уголковый калибр [аngle pass] (рис. 7.3, м, н) служит в качестве чернового или предчистового калибра при прокатке угловой стали.
По конструкции калибры подразделяются на открытые, полузакрытые и закрытые (рис. 7.4).
| 
| 
| 
| 
|
| а | б | в | г | д |
| 
| 
| 
| |
| е | ж | з | и |
Рис. 7.4. Схемы открытых (а – д) и закрытых (е – и) калибров: а – овальный; б – круглый; в – черновой угловой; г – ромбический; д – квадратный; е – калибр угловой с верхним разъемом; ж – калибр угловой с нижним разъемом; з – калибр балочный с верхним разъемом; и – калибр балочный с нижним разъемом
Открытый калибр [open pass] (рис. 7.4, а – д) имеет линию разъема в пределах своего контура, образованного врезами в двух или более валках, врезом в одном валке и гладкой бочкой или гладкими бочками. У простого открытого калибра разъем выполняется примерно посередине калибра и боковые участки раската формируются буртами двух валков. В некоторых фасонных открытых калибрах формирование раската ведется стенками ручья, выполненного только в одном валке.
Полузакрытый калибр [semi-closed pass] это фасонный калибр с расположением разъема на боковой стенке вблизи вершины ручья, который используют в качестве контрольного при прокатке швеллеров, полособульбовых, двутавровых и др. профилей. По сравнению с закрытым контрольным калибром этот калибр имеет больший выпуск и небольшую глубину вреза закрытого ручья, что меньше ослабляет валок по диаметру, позволяет обжимать фланцы раскатов по толщине, повышать количество переточек и увеличивать срок службы валков.
Закрытым [closed (dead) pass] (рис. 7.4, д – и) называют калибр, у которого линия разъема валков находится вне пределов его контура. 3акрытый калибр обычно применяют для прокатки фасонных профилей; у него, как правило, одна вертикальная ось симметрии.
Открытые и закрытые калибры бывают разрезными. Разрезной калибр [slitting pass] – выполняют с гребнем в средней части для первонач. формирования из заготовок фланцевых элементов раската; например, при прокатке двутавров из прямоугольной заготовки образуются участки фланцев и стенки, а при прокатке рельсов – участки под подошву и головку. Закрытые разрезные калибры выполняют на валках большого диаметра для изготовления больших фланцев. Открытые симметричные разрезные калибры с тупыми гребнями часто применяют для прокатки балочных заготовок из слябов.
По назначению калибры делят на обжимные, вытяжные, черновые, предчистовые, чистовые и контрольные.
Обжимной калибр [breakdown pass] — предназначен для уменьшения поперечного сечения раската и получения заготовок для сортовых станов. В качестве обжимных калибров на блюмингах, обжимных и заготовочных станах используют ящичные калибры. Деформация в этих калибрах не всегда сопровождается существенной вытяжкой, как, например, в первых проходах на блюминге. Однако к обжимным калибрам иногда частично или полностью относят калибры вытяжных систем калибровок. Деление калибров на обжимные и вытяжные зависит от назначения прокатного стана, системы калибров и вида отдельного калибра.
Черновой калибр [roughing pass] – предназначен для приближения сечения заготовки или раската к конфигурации готового профиля. Черновые калибры фасонных профилей по ходу прокатки приближаются по форме к чистовому калибру. Форма чернового калибра при прокатке простых профилей определяется вытяжной системой калибров.
Предчистовой калибр [prefinishing pass] используется для максимального приближения сечения полосы к сечению чистового профиля или имеет форму соответствующую форме чистового калибра. Но если для фасонных профилей (двутавровая балка, швеллер, рельс и др.) предчистовой калибр имеет четкое очертание, то для простых симметричных профилей (сталь круглая, квадратная, шестигранная и др.) предчистовой калибр может значительно отличаться от чистового.
Чистовой калибр [finishing pass] служит для придания раскату конечного профиля, т.е. для изготовления проката с конечными размерами поперечного сечения. При конструировании чистового калибра учитывают тепловое расширение металла, неравномерность распределения температуры в раскате, износ калибров, правку профиля и другие факторы.
Контрольный калибр [check gage] служит для небольшого высотного обжатия и контроля размеров отдельных элементов раската; используется при прокатке ряда фасонных и сложных профилей, например, двутавров, для ободов колес, дверных петель и пр. Этот вид калибров выполняют закрытым и полузакрытым. Закрытый калибр обеспечивает более точные размеры элементов раската, но чаще работают с полузакрытым калибром. В закрытом контрольном калибре фланец обжимается только по высоте, а в полузакрытом обжатие заготовки идет в открытой части калибра по высоте и толщине.
Если калибр образуют несколько валков, то имеют дело с многовалковым калибром.
Многовалковый калибр [cluster pass] – формируется тремя и более валками, оси которых лежат в одной плоскости. В многовалковом калибре металл обжимается в высотно-поперечном направлении с преимущественным всесторонним сжатием, что позволяет деформировать малопластичные материалы. Этот тип калибра обеспечивает высокую точность размеров профилей, поэтому они широко применяются в чистовых клетях мелкосортных и проволочных станов для прокатки стали и цветных металлов. Четырехвалковые открытые и закрытые калибры часто используют при горячей и холодной прокатке высокоточных фасонных профилей.
Вытяжной калибр [drawing pass] – служит для уменьшения сечения и вытяжки раската при заданном чередовании двух или одного однотипного калибра. В ряде случаев в таком калибре раскату придают размеры, при которых начинается формирование заданного профиля. При прокатке простых профилей вытяжные калибры обычно являются черновыми. В качестве вытяжных калибров применяют прямоугольные, квадратные, ромбические, овальные, шестигранные и другие калибры. В зависимости от условий прокатки и требуемого сечения раската вытяжные калибры располагаются в определенной последовательности, называемой системой вытяжных калибров.
Системы вытяжных калибров предназначены для относительно больших вытяжек. В перечень этих систем входят: прямоугольник – квадрат (ящичные калибры); ромб – квадрат; ромб – ромб; овал – квадрат; шестиугольник – квадрат; овал – вертикальный овал (ребровой овал); овал – круг; овал – стрельчатый квадрат. Систему прямоугольник – квадрат используют при расчете калибровки валков блюмингов и заготовочных станов, а также черновых групп клетей сортовых станов, остальные системы применяют при расчете калибровки валков сортовых станов, в том числе: системы овал – квадрат, шестиугольник – квадрат, овал – вертикальный овал и ребровой прямоугольник – овал для черновых и промежуточных клетей, а системы ромб – квадрат и овал – круг при прокатке квадратной и круглой стали.
Общий принцип расчета вытяжных калибров состоит в следующем: калибры подразделяют на отдельные переходные пары калибров (например, прямоугольник – квадрат, ромб – ромб, овал – круг и др.); общие коэффициенты вытяжки также разделяют на частные коэффициенты вытяжки в каждой паре калибров; определяют площади поперечного сечения и размеров переходных калибров.
В прокатном производстве различают калибровку профиля и калибровку прокатных валков. Под профилем понимают геометрическую форму поперечного сечения прокатываемого металла. Профили делятся на готовые и промежуточные. Промежуточные профили – это поперечные сечения раскатов, получающиеся в процессе прокатки заготовки до готового профиля.
Калибровка профиля – это метод определения формы и размеров последовательного ряда переходных сечений прокатываемой заготовки, начиная от исходной заготовки до готового профиля.
В понятие калибровка профиля входит определение формы и размеров калибра, а также построение калибра. Все это рассматривается отдельно в связи с формой конечного профиля.
Из всех возможных вариантов калибровки профиля должен быть принят оптимальный вариант калибров, у которых в переходных сечениях раскатов должны надежно выполняться все заданные расчетом элементы профиля, как по форме и, так и по размерам.
Первой и главной задачей калибровки профиля является определение наиболее рациональной формы раската в каждом переходном сечении.
Второй задачей калибровки является определение минимального числа проходов, за которое можно получить готовый профиль, что должно быть увязано с коэффициентами вытяжек, основанными на законах пластического формоизменения металла. Здесь также принимают во внимание рациональное использование оборудования и подготовку его к очередной плановой прокатке. При минимальном числе проходов уменьшается парк валков, вводной и выводной валковой арматуры, упрощается настройка клетей, облегчается обслуживание стана. Технико-экономические показатели работы стана значительно повышаются.
Третья задача калибровки состоит в сохранении высоких температур прокатываемой полосы и пластичности металла. Необходимо так выполнить калибровку, чтобы понижение температуры полосы было незначительным, а распределение ее по сечению равномерным.
Четвертая задача калибровки заключается в придании калибрам, а следовательно, раскату такой формы, чтобы на деформацию расходовалось минимальное количество энергии. Это более всего относится к прокатке фасонных профилей. Надо выполнять такие выпуски в калибрах, особенно фасонных, чтобы полоса не защемлялась и свободно выходила из калибра. В сочетании с сохранением высоких температуры полосы и пластичности металла правильная разработка форм калибров обеспечивает их большую стойкость, сохранение размеров полосы, точность профиля.
Все это и определяет условия соответствия калибровки получению профиля высокого качества.
Пятая задача калибровки состоит в обеспечении простоты настройки прокатных клетей, минимальных простоев стана в связи с перевалками, переходами с одного профиля на другой, высокой производительности стана.
И, наконец, шестая задача заключается в рациональной калибровке бочки прокатных валков, т.е. в наиболее целесообразном расположении калибров по длине бочки валков. От этого зависят технико-экономические показатели стана.
Калибровка профиля включает в себя определение режимов обжатий в каждом проходе. При калибровке обоснование формы и размеров калибров должно проводиться в соответствии с законами пластического формоизменения.
Калибровкой прокатных валков принято называть порядок расположения калибров на бочке валков. Здесь также имеется своя методика определения числа калибров и расположения их по длине бочки валков с обоснованием размеров буртов, равно как и оформление самих буртов.
Ниже на рис. 7.5 представлен пример калибровки, используемой при прокатке железнодорожного рельса.
| 
| 
| 
| |
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 
| 
| 
| 
|
| 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Рис. 7.5. Калибровка железнодорожного рельса: 1 – 9 – номера проходов при прокатке
Железнодорожные рельсы относятся к группе фланцевых профилей, и их прокатка усложняется тем, что при размещении на валках рельсовый калибр является несимметричным относительно вертикальной оси. Поэтому при любом расположении валков возникает значительное боковое давление, приводящее к преждевременному износу валков. Кроме того, различные условия деформирования металла в головке и подошве рельса приводят к усложнению калибровки профиля.
На рис. 7.6 представлена калибровка прокатных валков для прокатки железнодорожных рельсов, применяемая в случае использования в качестве оборудования трехвалкового сортопрокатного стана трио.
Практикой установлено, что для оформления профиля из заготовки прямоугольного сечения требуется 9 – 11 проходов, из которых 3 – 4 прохода выполняют в тавровых калибрах, а для последующих 5 – 7 проходов применяют рельсовые калибры. При этом в первых тавровых калибрах осуществляют разрезание заготовки по подошве с последующим ее развертыванием, а в последнем тавровом калибре оформляют подошву рельса и получают черновой профиль для прокатки в рельсовом калибре. Практикой установлено, что для оформления профиля из заготовки прямоугольного сечения требуется 9 – 11 проходов, из которых 3 – 4 прохода выполняют в тавровых калибрах, а для последующих 5 – 7 проходов применяют рельсовые калибры. При этом в первых тавровых калибрах осуществляют разрезание заготовки по подошве с последующим ее развертыванием, а в последнем тавровом калибре оформляют подошву рельса и получают черновой профиль для прокатки в рельсовом калибре.
Рис. 7.6. Калибровка валков трехвалковой клети трио для прокатки железнодорожных рельсов
Большую роль для формирования структуры раската и срока службы рельсов играет форма таврового калибра. Окончательно формируется профиль в рельсовом калибре.
Контрольные вопросы и задания
1. Дайте общее описание сталепрокатного производства.
2. Что такое блюмы, и по каким технологиям их получают?
3. По какому параметру классифицируют блюминги?
4. Перечислите основные операции сортовой прокатки.
5. Перечислите основные термины, относящиеся к калибровке прокатных валков.
6. Дайте расшифровку обозначению «Блюминг 250».
7. Назовите виды двухвалковых калибров.
8. Перечислите системы вытяжных калибров.
9. Что такое калибровка профиля?
10. Какие задачи решаются при калибровке профиля?
11. Что такое калибровка прокатных валков?
12. Дайте описание производству горячекатаного листового проката.
ЛЕКЦИИ 8
«ЛИСТОВАЯ ПРОКАТКА СТАЛИ»
(ауд. – 2 ч., самостоятельная работа – 2 час).
План лекции
1. Схема технологических процессов производства листового проката
2. Производство горячекатаного листового проката
3. Производство холоднокатаного листового проката
4. Прокатка жести
5. Прокатка тонкой и тончайшей ленты
Общая схема процессов производства листового проката показана на рис. 8.1. На этой схеме сплошными линиями изображаются часто использующиеся потоки металла, а потоки, которые возникают при производстве отдельных видов продукции, отмечены пунктирными линиями.
Практика показала, что наиболее эффективным способом производства горячекатаных листов и полос является прокатка на непрерывных и полунепрерывных станах. Такие листы применяют также в качестве подката для станов холодной прокатки.
В качестве заготовок для прокатки на широкополосных станах служат только слябы, что дает при прокатке следующие преимущества: улучшение качества поверхности и механических свойств готовых листов; более равномерный нагрев и эффективный контроль температуры прокатки; более высокая производительность станов; снижение количества типоразмеров изложниц при одновременном увеличении среднего веса слитков.
Перед прокаткой слябов с их поверхности производят удаление дефектов, которые выявляют путем осмотра с применением пробной зачистки.
Для этого применяют огневую зачистку, строжку и фрезерование, а также пневматическую вырубку отдельных дефектов. Для зачистки слитков в горячем состоянии используют термофрезерные станки. Особо высокие требования предъявляются к качеству поверхности слитков и слябов из легированных и высоколегированных сталей.
Рис. 8.1. Схема технологических процессов производства листового проката
Наиболее распространенным и эффективным способом удаления поверхностных дефектов является огневая зачистка, в процессе которой поверхностный слой металла, нагретый до высокой температуры, воспламеняется в струе кислорода, сжигается и удаляется с поверхности заготовки. Но хотя огневая зачистка отличается высокой производительностью, высокой степенью механизации и автоматизации этот способ сопровождают значительные потери металла. Огневую зачистку применяют для подготовки слябов в основном из углеродистых и низколегированных сталей. Огневая зачистка слитков и слябов легированных и нержавеющих сталей выполняется с применением специальных флюсов, повышающих температуру зачистки и образующих защитные легкоплавкие шлаки. В последние годы в связи с возрастающими требованиями к экономии энергии и повышению выхода годного при производстве высококачественного проката все более широкое применение находит выборочная огневая зачистка.
Другими способами устранения дефектов являются пневматическая вырубка и абразивная зачистка. Кроме того, находятся в стадии разработки и внедрения электрофизические и электромеханические способы зачистки, а также обработка поверхности методом иглофрезерования и отслаивания, ротационная строжка, поверхностно-плазменный переплав и др.
Для нагрева слябов перед прокаткой на толстолистовых или широкополосных станах применяют нагревательные колодцы, камерные печи с выдвижным подом, методические толкательные печи и печи с шагающими балками. Для нагрева слитков применяют регенеративные и рекуперативные нагревательные колодцы, а также камерные печи.
Оптимальная скорость нагрева слитков выбирается из условия соблюдения допустимого перепада температур по сечению, а выбор температурного интервала и времени выдержки при нагреве определяется размерами слитка, его химическим составом и особенностями стана.
Сортамент специализированных толстолистовых станов охватывает практически полностью размерный ряд толстолистовой стали, обусловленный действующими стандартами на горячекатаный листовой прокат. Некоторые виды продукции толстолистовых станов обладают специальными свойствами (например, биметаллический или многослойный листовой прокат, толстые листы, полученные контролируемой прокаткой, и т.д.), которые делают их прокатку на станах других типов невозможной или экономически нецелесообразной.
Современные толстолистовые станы оснащаются четырехвалковыми клетями, характеризующимися большей жесткостью по сравнению с другими типами клетей, что способствует повышению точности и улучшению плоскостности прокатываемых листов. Кроме того эти станы оснащаются мощными установками для термообработки, средствами и агрегатами для дополнительных отделочных и других технологических операций, что повышает требования к технологическому уровню основного и вспомогательного оборудования и его рациональному размещению.
Для листовых станов, в отличие от сортовых, профилировка валков сводится к расчету выпуклости или вогнутости бочки валков, которая зависит от типа стана и его сортамента (рис. 8.2).