Основные технологические операции при производстве толстых листов включают подготовку и нагрев заготовок, прокатку, термообработку и отделку листов.
Необходимая структура и требуемые механические и технологические свойства горячекатаной листовой стали достигаются термической или термомеханической обработкой. Термическую обработку производят со специального нагрева или с использованием тепла прокатного нагрева. Основные виды термической обработки горячекатаного листового проката: нормализация, отжиг, отпуск, закалка, закалка с отпуском.
| 
| 
|
| а | б | в |
Рис. 8.2. Профилировка рабочих валков листовых станов: а, б – вогнутость; в – выпуклость
Нормализация заключается в нагреве металла до температур на 5 – 50 °С выше верхней критической точки 
, кратковременной выдержке при этой температуре с последующим естественным охлаждением на воздухе или ускоренным охлаждением. Нормализация горячекатаных полос, смотанных в рулон, применяется для выравнивания микроструктуры по длине и ширине полосы (листа), а также улучшения свариваемости, уменьшения склонности стали к старению и повышения прочностных характеристик.
При низких показателях пластичности, завышенных пределах прочности и твердости применяют смягчающий отжиг. При смягчающем отжиге металл нагревают чуть ниже температуры 
, и после продолжительной выдержки при этой температуре охлаждают вместе с печью. Смягчающему отжигу с целью улучшения пластичности в основном подвергаются углеродистые, низколегированные и легированные марки стали.
При отпуске листовой прокат нагревают до температуры ниже критической точки , выдерживают при этой температуре и охлаждают с заданной скоростью. По уровню температуры нагрева металла различают три вида отпуска – низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск производится при 130 – 240 °С, средний при 250 – 450 °С и высокий при – 450 – 700 °С. Основное назначение отпуска заключается в снятии внутренних напряжений. Иногда отпуск применяется как завершающий вид термообработки после закалки, нормализации, а также после прокатки и регулируемого охлаждения с прокатного нагрева. Применение отпуска позволяет значительно повысить пластичность металла.
При закалке листовую сталь нагревают до температур выше верхней критической точки (до 50 °°С – полная закалка) или в интервале 
(неполная закалка) и быстро охлаждают водой или на воздухе до температуры окружающей среды. Закалка с последующим отпуском (как правило, при температурах ниже ) повышает вязкость и прочность стали.
Основным оборудованием для термообработки являются проходные печи, в которых обрабатывается около 90 % всего листового проката.
Для придания металлу требуемых геометрических размеров (за исключением толщины), устранения волнистости, удаления поверхностных дефектов и окалины производится отделка листового проката, а также операции охлаждения листа, контроль и упаковка.
Правку горячекатаного проката проводят в горячем и холодном состоянии. Для горячей правки полос применяют правильные машины и операцию правки ведут при температуре металла 680 – 700 °С.
При широком сортаменте стана устанавливают две машины горячей правки: одну для листов толщиной 5 – 25 мм, другую – для правки листов толщиной 20 – 40 мм и более. Холодную правку в холодном состоянии проводят после горячей для металла ответственного назначения.
Наибольшее распространение для правки толстых листов получили пяти- и одиннадцатироликовые правильные машины. Горячекатаные рулоны с непрерывных широкополосных станов, предназначенные для дальнейшей холодной прокатки, по подземному конвейеру транспортируются в цех холодной прокатки, где складируются для окончательного охлаждения. Основная часть товарной горячекатаной листовой стали отгружается потребителю в виде листов.
Для разделки рулонной полосы на листы используют агрегаты поперечной резки двух типов – тихоходные и быстроходные.
При поставке металла в рулонах основной операцией отделки являются обрезка кромок или продольная резка на узкие полосы с одновременной обрезкой кромок. Для этой цели служат агрегаты трех типов: только для обрезки кромок; продольной резки с обрезкой кромок; для укрупнения рулонов с одновременной обрезкой кромок. Наиболее широко распространены агрегаты второго типа, как более универсальные.
Производство холоднокатаного листового проката
Холодная прокатка обеспечивает получение полос и листов с высокой чистотой поверхности, узкими допусками на геометрические размеры, с необходимыми механическими и физическими свойствами.
Общая схема получения стальной холоднокатаной листовой продукции представлена на рис. 8.3.
Рис. 8.3. Общая схема получения стальной холоднокатаной листовой продукции
Основным способом получения холоднокатаных листов является рулонная прокатка, при которой обеспечивается: возможность механизации и автоматизации большинства технологических операций; повышение производительности труда; увеличение выхода годного металла за счет уменьшения отходов и улучшения качества продукции; улучшение геометрической формы и свойств металла вследствие непрерывности и стабильности технологического процесса.
Наиболее перспективным является способ бесконечной холодной прокатки полос на непрерывных станах со стыковой сваркой концов полосы перед прокаткой двух соседних рулонов, что позволяет осуществить абсолютную непрерывность процесса и повысить производительность станов.
Исходной заготовкой для холодной прокатки листовой и полосовой стали являются горячекатаные рулоны, поступающие главным образом с непрерывных листовых станов горячей прокатки.
Горячекатаные рулоны подаются в разматыватель травильных агрегатов полностью остывшими по всему сечению рулона (до температуры не более 80 – 90 °С) во избежание образования поперечных изломов на разматываемых полосах, по причине которых в дальнейшем горячекатаный травленый металл переводится в брак по низкому относительному удлинению. Температура металла, предназначенного для дальнейшей холодной прокатки, при поступлении в тянущие ролики окалиноломателя допускается не выше 100 °С. Для производства холоднокатаных листов и лент используется следующая основная технологическая схема:
- химическая, механическая или комбинированная (травление с предварительной дрессировкой) очистка поверхности полосы;
- холодная прокатка в один или несколько циклов с промежуточными отжигами или без них;
- обезжиривание;
- окончательная термическая обработка в рулонах или в агрегатах непрерывного отжига;
- дрессировка (дополнительная холодная прокатка с небольшим обжатием);
- отделка (обрезка кромок, правка, резка на мерные длины, промасливание);
- контроль и отгрузка продукции.
Холодную прокатку листов и полос осуществляют на непрерывных и реверсивных станах.
Повышение качества холоднокатаной листовой стали осуществляется за счет совершенствования технологических процессов в цехах холодной прокатки и улучшения качества горячекатаной полосы, являющейся подкатом станов холодной прокатки.
При холодной прокатке тонких полос выбирают подкат толщиной 2,0 – 2,5 мм, что объясняется трудоемкостью получения горячей прокаткой полос толщиной менее 2 мм и условиями стыковой сварки полос (при сварке тонких полос получается некачественный шов).
Для соединения полос на непрерывных агрегатах (в частности, на агрегатах непрерывного травления) в настоящее время используется электросварка.
Для удаления окалины с поверхности горячекатаных полос применяются два способа: механический и химический.
К механическому способу относят дробеструйную и дробеметную обработку, изгибание полосы вокруг роликов в окалиноломателе и дрессировку. В результате механического воздействия на поверхность полосы окалина взламывается и удаляется.
К химическому способу относят обработку поверхности полосы различными химикатами. При этом вследствие химических реакций окалина отделяется от основного металла. С целью повышения чистоты поверхности ее промывают водой, сушат или обдувают сжатым воздухом для удаления остатков окалины и продуктов ее превращения. В современных цехах холодной прокатки углеродистых и низколегированных сталей травление горячекатаного подката осуществляется в растворах серной и соляной кислот.
Эффективность удаления окалины с поверхности горячекатаных полос сталей зависит: от физико-химического состава и толщины слоя окалины, степени ее разрыхленности, концентраций и температуры травильных растворов и наличия ингибиторов.
Обжатия по клетям стана распределяют исходя из условия их равномерной загрузки и обеспечения оптимальных условий регулирования толщины полосы. При этом величина усилия прокатки должна быть меньше максимально допустимой, определяемой прочностью элементов рабочей клети, и момент прокатки не должен превышать величины, определяемой мощностью двигателя при данной скорости прокатки.
Повышение качества холоднокатаного листа и увеличение производительности прокатных станов осуществляется за счет улучшения качества подката и оснащения станов холодной прокатки системами автоматического регулирования толщины, натяжения и плоскостности.
Прокатка жести
Основные требования, предъявляемые к жести, зависят от ее назначения, как тары для пищевой промышленности, изготавливаемой с помощью различных способов деформации, начиная от глубокой штамповки и кончая изготовлением паяных корпусов консервных банок.
На станах холодной прокатки прокатывают жесть шириной 1000 мм и более. Наибольшее распространение получила белая жесть, которую изготавливают из черной жести путем нанесением на нее тонкого слоя олова. Исходным материалом для холодной прокатки жести являются горячекатаные и холоднокатаные рулоны, поступающие главным образом с непрерывных листовых станов горячей и холодной прокатки. Наибольшая толщина горячекатаного подката составляет обычно 2,5 мм. Толщина холоднокатаной ленты в зависимости от ее назначения в основном составляет 0,16 – 0,36 мм. Выпускается также жесть толщиной 0,076 – 0,1 мм.
Холодная прокатка жести обычно производится на непрерывных пяти- и шестиклетевых станах в рулонах массой до 30 – 35 т. Скорость прокатки на современных станах достигает 30 – 35 м/с. В зависимости от толщины выпускаемой жести существуют две основные схемы организации процесса холодной прокатки. Первая – предусматривает холодную прокатку на непрерывном стане за один этап без промежуточных отжигов. Таким образом производят жесть толщиной 0,15 мм и выше. Вторая – предусматривает промежуточный отжиг после прокатки на непрерывных пяти- или шестиклетевых станах и последующую холодную прокатку на двух- или трехклетевых непрерывных станах. Особотонкую жесть толщиной 0,070 – 0,1 мм получают прокаткой на многовалковых реверсивных станах.
Шестиклетьевые станы имеют ряд преимуществ по сравнению с пятиклетевыми, так как на них можно прокатывать исходный подкат с увеличенной толщиной или снижать обжатия металла в клетях, что положительно отражается на качестве поверхности жести.
Суммарное обжатие при прокатке жести на непрерывных пяти- или шестиклетьевых станах по первой схеме достигает 90 %, а при прокатке во второй клети – 50 %. Окончательная прокатка на двух- или трехклетьевых станах по второй схеме осуществляется с суммарным обжатием до 30 – 35 %.
Дрессировка является конечной операцией технологического процесса производства холоднокатаных листов, существенно влияющей на качество поверхности, физико-механические свойства и штампуемость металла. Дрессировка – это холодная прокатка с малыми обжатиями в пределах 0,5 – 3 %. Дрессировка холоднокатаного металла обеспечивает придание мягкому листовому металлу некоторой упругости и исключение изломов и перегибов, а также улучшение качества его поверхности. Поверхность листов после дрессировки становится ровной, матовой или глянцевой, что обеспечивает хороший внешний вид покрытия при операции окраски, лакировки и лужения. Коробоватость и волнистость холоднокатаного металла уменьшаются. Эффективность регулирования планшетности полосы существенно повышается при использовании на дрессировочных станах систем регулирования профиля и формы листового проката. Применение малых обжатий обеспечивает упрочнение поверхностного слоя металла и сохраняет недеформированным внутренние слои, в результате чего предотвращается образование линий сдвига при штамповке и создается хорошее сочетание механических свойств. При дрессировке снижается предел текучести, уменьшается относительное удлинение, наблюдается небольшой рост твердости. Прочность у конструкционной стали практически не изменяется.
Дрессировке подвергается только полностью остывший металл. Повышенные температуры приводят к интенсивному старению металла со значительным ухудшением механических свойств, что объясняется ускорением процесса диффузии атомов азота и кислорода к дислокациям при повышении температуры. Так, при дрессировке листа, имеющего температуру более 40 °С, возрастает предел текучести и уменьшается относительное удлинение.
После дрессировки и отделки рулоны отгружают потребителю или режут на листы или полосы соответствующих размеров на агрегатах поперечной или продольной резки.
Резка холоднокатаного металла осуществляется на высокоскоростных агрегатах, оснащенных барабанными ножницами, обеспечивающими скорость резки 4 – 6,5 м/с. Обрезка боковых кромок листов осуществляется с помощью дисковых ножниц, установленных в линии агрегата резки. Современные агрегаты резки листовой стали оборудованы системами автоматической сортировки листов по толщине, а также листов с дефектами раковины, расслоя и др. Для этой цели агрегаты оснащены рентгеновскими бесконтактными измерителями и ультразвуковыми дефектоскопами.
Механические свойства готового металла определяются по выборочным испытаниям листов, отобранных от данной партии металла.
В зависимости от группы отправления, назначения и качества металла готовую продукцию упаковывают в металлические пакеты, короба, контейнеры, деревянные ящики и решетки.
Прокатка тонкой и тончайшей ленты
Основным способом производства тончайших лент из различных сталей и сплавов является прокатка на станах, имеющих рабочие валки малого диаметра. Эффективность использования рабочих валков малого диаметра стимулировала разработку различных конструкций рабочих клетей – четырехвалковых, комбинированных и многовалковых (6-, 12- и 20-валковых).
Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике получили 20-валковые станы. В зависимости от сортамента прокатываемой продукции 20- валковые станы могут быть условно разделены на две группы.
Станы первой группы, получившие в настоящее время наиболее широкое распространение, предназначены для прокатки полос и лент толщиной 1 – 50 мкм. В клетях таких станов применяются рабочие валки диаметром 3 – 30 мм при длине бочки 60 – 400 мм. В качестве подката используется холоднокатаная лента толщиной 0,03 – 1 мм в зависимости от сортамента выпускаемой продукции и диаметра рабочих валков.
Станы второй группы служат для прокатки полос толщиной более 50 мкм. В клетях таких станов применяются рабочие валки диаметром 45 – 80 мм при длине бочки 450 – 1200 мм. В качестве подката применяют холоднокатаные полосы толщиной 1 – 1,5 мм, а для некоторых станов с моталками, обеспечивающими натяжение до 10 – 12 т, применяют горячекатаный подкат толщиной до 3 мм.
При производстве тончайших полос и лент на многовалковых станах режимы обжатий выбирают с учетом двух условий: увеличивают максимально обжатия за проход при достаточно низкой скорости прокатки, обеспечивающей надежный отвод тепла, образующегося в процессе деформации; осуществляют прокатку с небольшими обжатиями при максимальной скорости для получения полос с высоким качеством поверхности.
Контрольные вопросы и задания
1. Дайте описание производству горячекатаного листового проката.
2. В чем заключается технология прокатки слябов?
3. В чем заключается профилировка рабочих валков листовых прокатных станов?
4. Что такое перегрев и пережог металла при нагреве?
5. Дайте описание основных видов брака, возникающих при прокатке.
6. Опишите общую схему получения стальной холоднокатаной листовой продукции.
7. Как прокатывают жесть?
8. В чем заключается операция дрессировка при прокатке?
9. Опишите технологию прокатки тонкой и тончайшей ленты из стали.
ЛЕКЦИИ 9
«ПРОКАТКА ТРУБ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫПРОКАТКИ»
(ауд. – 2 ч., самостоятельная работа – 2 час).
План лекции
1. Горячая прокатка труб
2. Холодная прокатка труб
3. Производство специальных видов проката
Горячая прокатка бесшовных труб
Производство бесшовных (то есть без сварного продольного или спирального шва) металлических труб осуществляется прокаткой на специальных станах, называемых трубопрокатными агрегатами.
Этот способ прокатки труб обычно состоит из 2 основных и нескольких вспомогательных операций. Первая операция − прошивка заключается в получении продольного отверстия в заготовке или слитке, в результате чего получается толстостенная труба, называемая гильзой. Вторая операция раскатка — удлинение прошитой заготовки и уменьшение толщины её стенки примерно до требуемых в готовой трубе размеров. Обе операции осуществляются с одного нагрева. Первая операция выполняется на прошивных станах винтовой прокатки между бочкообразными или грибовидными валками на короткой оправке, вторая − на раскатных станах разных видов. После раскатки трубы калибруют на специальных калибровочных станах, затем охлаждают и правят. После раскатки для уменьшения диаметра трубы используют операцию редуцирование, осуществляемую методом продольной прокатки без оправки в редукционных станах. Для увеличения диаметра труб после раскатки может быть применена операция раздача. В этом случае после раскатных станов устанавливают станы-расширители. Однако в связи с освоением массового производства сварных труб большого диаметра станы-расширители утрачивают свое значение.
Для прошивки используют поперечно-винтовую (косую) прокатку, обычно проводимую на двухвалковых станах с разным типом валков (рис. 9.1).
Наибольшее распространение получили прошивные станы с бочкообразными валками (рис. 9.1, а). В рабочей клети таких станов оси валков в вертикальной плоскости наклонены друг к другу под углом 5 − 17 °. Благодаря косому расположению валков заготовка при прокатке получает одновременно вращательное и поступательное движения. Поэтому каждая точка деформируемой части заготовки совершает винтовое движение, а в центре ее создаются напряжения, близкие по схеме к всестороннему растяжению. Последнее способствует разрыхлению центральных слоев заготовки, что значительно снижает усилие ее прошивки конической оправкой.
| 
|
| а | б |
| 
|
| в | г |
Рис. 9.1. Схемы прошивки заготовок в станах с бочковидными (а), грибовидными (б), чашевидными (в) и дисковыми (г) валками
Трубопрокатные установки, включающие автоматический стан для раскатки, являются наиболее распространенным оборудованием для производства бесшовных труб благодаря универсальности по сортаменту труб и высокой производительности. По конструкции автоматический стан является станом продольной прокатки гильз с нереверсивной двухвалковой клетью, валки которой образуют последовательно расположенные круглые калибры. Перед подачей металла в калибр устанавливают оправку, закрепленную на длинном стержне таким образом, что зазор между оправкой и калибром соответствует толщине стенки прокатываемой трубы. Деформирование металла при этом происходит между валками и оправкой и наряду с утонением стенки наблюдается уменьшение наружного диаметра трубы. Процесс раскатки гильзы проходит следующим образом (рис. 9.2). Выходящая из валков труба попадает в проводки, служащие для направления движения трубы и удержания упорного стержня от продольного изгиба. После каждого прохода оправка снимается со стержня, и труба возвращается с помощью роликов обратной подачи, вращающихся в противоположном направлении, на переднюю сторону. При этом верхний валок поднимается, увеличивая высоту калибра, а нижний ролик обратной подачи поднимается, прижимая трубу к верхнему ролику. После каждого прохода устанавливают новую оправку, верхний валок опускают в рабочее положение, а трубу кантуют на 90° и подают в валки для следующей прокатки. Описанную операцию прокатки повторяют необходимое количество раз до получения требуемых размеров трубы. Однако окончательное устранение неравномерности толщины стенки по сечению трубы и рисок на ее поверхности производится на обычно входящих в состав агрегата обкатных станах (риллинг-станах), клети которых по конструкции аналогичны клетям прошивных станов.
Прокатка на пилигримовых станах широко распространена, причем, кроме труб круглых сечений, на этих станах получают трубы с другими сечениями: квадратными, шестигранными, ступенчатыми и др.
| 
|
| а | б |
Рис. 9.2. Схема раскатки труб на автоматическом стане: а – прокатка; б – возврат трубы; 1 – гильза; 2 – верхний валок; 3 – нижний валок; 4 – оправка; 5 – упорный стержень; 6 – верхний ролик обратной подачи; 7 – нижний ролик обратной подачи; 8 – труба
Исходная заготовка для прокатки на пилигримовом стане представляет собой толстостенную трубу-стакан, полученную на прошивном трехвалковом стане. Часто этот способ прошивки заменяется прошивкой на прессе, что позволяет получать более качественную заготовку. Далее в заготовку, толщина стенки которого составляет около 25 % от диаметра трубы, вводят деталь, называемую дорн, на которой и производят раскатку трубы между двумя валками пилигримной клети, с калибром переменного профиля. Валок пилигримного стана (рис. 9.3) имеет ручей переменной ширины и высоты по окружности, подразделяемый на две части: холостую и рабочую. В холостой части диаметр калибра превышает диаметр прокатываемой гильзы, а рабочая часть делится на рабочий и полирующий участки.
| 
|
Рис. 9.3. Валок пилигримового стана
При вращении валков стана (рис. 9.4) размеры калибра меняются, поэтому в момент совпадения холостых частей обеих валков дорн с гильзой продвигают вперед в валки. Далее этот участок трубы прокатывается. Труба при этом движется в обратном направлении, т.е. совпадает с направлением вращения валков. При этом рабочий участок валков обжимает заготовку по диаметру и толщине стенки, а полирующий участок обеспечивает выравнивание диаметра и толщины стенки трубы. Коэффициент вытяжки при такой прокатке достигает 10 – 14. При следующем повороте валков осуществляют повторную подачу заготовки в очаг деформации, сопровождая эту операцию кантовкой трубы на 90°. Таким образом, гильза подается в валки и подвергается раскатке участками, длина которых равна величине подачи. Остается непрокатанным только участок трубы, находящийся около дорнодержателя и пилигримовой головки. После прокатки дорн извлекают из трубы для охлаждения, а в подающий механизм вставляют новый дорн.
Рис. 9.4. Схема процесса пилигримовой прокатки: 1 – дорн; 2 – валки; 3 – подающий механизм
В заключение трубы, получаемые по разным технологическим цепочкам, обычно подвергают отделке, в которую входят: отрезка концов, правка, термическая обработка, окраска или покрытие другими антикоррозийными материалами и др. Для проведения перечисленных операций в трубопрокатных цехах устанавливают соответствующее оборудование.
Холодная прокатка труб
Для различных машин и приборов требуются трубы с высоким качеством внутренней и внешней поверхностей, высокой точностью размеров стенки трубы и ее формы. Такие трубы можно получать только холодной обработкой: прокаткой в холодном состоянии и волочением. Данные способы позволяют изготавливать трубы диаметром 0,5 – 250 мм и более при толщине стенки 0,1 – 20 мм и более из высоколегированных (коррозионностойких, жаростойких, труднодеформируемых и т.п.) легированных, высокоуглеродистых сталей и различных сплавов. Основными преимуществами холодной прокатки труб являются: практически полное отсутствие потерь металла; получение высоких обжатий по стенке (70 – 85 %) и по диаметру (до 65 %), что позволяет сократить цикличность деформации; значительное повышение точности, как по толщине стенки, так и по диаметру; высокое качество поверхности труб. Исходным продуктом для этого процесса прокатки являются горячекатаные трубы или трубы, получаемые прессованием, а оборудованием для холодной прокатки труб служат станы различных типов: двухвалковые, роликовые, с плавающими валками, поперечной прокатки и др.
Наибольшее распространение при производстве труб получили двухвалковые станы холодной прокатки труб (ХПТ) с периодическим режимом работы клети. Трубы (рис. 9.5), прокатывают на неподвижной конической оправке 1, установленной в калибре валковых сегментов 2, укрепленных на рабочих валках 3. Ручьи выполнены с переменным радиусом, меняющимся по окружности сегмента от радиуса трубной заготовки (начальный размер) до радиуса готовой трубы (конечный размер). Такие валки устанавливают в клети на жесткой раме, совершающей возвратно-поступательное движение на расстояние L кл по рельсам на катках. При рабочем ходе клеть с валками перемещается из положения I в положение II. Сегменты разворачиваются, радиус калибра между ними уменьшается, что обеспечивает обжатие заготовки по диаметру и толщине стенки. Периодическая подача трубы (обычно на 6 – 12 мм) в калибр, когда зазор между валками позволяет выполнить эту операцию, и ее поворот на 60° по окончании данного цикла прокатки производят специальными кулачковыми механизмами. По возвращении клети в первоначальное положение цикл повторяется. Таким образом, эти станы отличаются от пилигримовых станов горячей прокатки тем, что у станов ХПТ рабочая клеть осуществляет возвратно-поступательное движение, а труба вместе с конической оправкой неподвижны.
Рис. 9.5. Схема прокатки труб на стане ХПТ: 1 – оправка; 2 – калибр; 3 – валок; 4 – стержень; 5 – заготовка; 6 – труба
В станах поперечной прокатки деформация труб выполняется на цилиндрической или конической оправке профильными валками. При этом обжатие стенки трубы может приводить или к увеличению длины трубы или к увеличению ее диаметра. Этим способом получают тонкостенные трубы большого диаметра.
Прокатка труб с печной сваркой
Благодаря высокой технологичности и экономичности в сочетании с высоким качеством этой продукции доля сварных труб в общем производстве труб непрерывно возрастает. Основными способами получения сварных труб являются прокатка (формовка) стальных полос и последующие такие виды сварки, как печная сварка, электросварка и сварка в защитном газе. Рассмотрим каждый из этих способов.