Металл приобретает форму

Виды валков сортопрокатных станов.

Мы на последнем этапе путешествия по металлургическому заводу. Дальнейший путь блюмов и слябов зависит от назначения стали: нужно ли получить тонкий стальной лист, чтобы сделать из него кузов автомобиля, корпус холодильника, или нужны трубы для газопровода, рельсы для новой железной дороги; а может быть, нужен металл простой геометрической формы, который окончательно будет обработан на станках. На одних заводах делают стальные листы, на других — трубы, на третьих — рельсы, сортовой прокат, т. е. изделия относительно простых геометрических форм: квадрат, круг, полоса, угол, балка, рельсы и т. п. Из стальной заготовки получают также колеса и изделия более сложной конфигурации.

Чтобы превратить заготовку (блюм или сляб) в полосу или лист, ее пропускают между гладкими валками. Иным способом изготовляют сталь более сложных форм. В нижнем и верхнем валках делают вырезы необходимой формы. Сблизив валки так, чтобы один вырез точно пришелся над другим, получают ручей, или, как его называют металлурги, калибр. Если бы сталь была такой же пластичной, как, скажем, воск или глина, дело обстояло бы совсем просто. Достаточно было бы пропустить металл через ручей нужной формы — и задача решена. Но сталь менее пластична, и сразу получить металл нужной формы нельзя. Это делают постепенно, пропуская его через ряд все более приближающихся к окончательной форме калибров. Иной раз приходится пропускать металл через 10-20 калибров. Расчет постепенных обжатий — калибровка — требует больших знаний.

Валки — очень важная часть всякого прокатного стана. Они установлены в подшипниках, закрепляемых на станине. В некоторых случаях удобнее иметь не два, а три и даже четыре валка. При трех валках металл сначала обжимается нижним и средним валками, а при обратном движении — средним и верхним.

Станину с укрепленными в ней валками и устройством для регулирования зазоров называют рабочей клетью. Металл самых разнообразных форм из различных марок стали делают на сортопрокатных станах. Они обычно имеют несколько трехвалковых клетей, располагаемых в две или три линии. Нагретую заготовку сначала пропускают между нижним и средним валками. Потом она попадает на подъемный стол, поднимается на «верхний этаж» и пропускается через калибр между средним и верхним валками. Переходя из калибра в калибр, из клети в клеть, заготовка меняет форму. Чем ближе к концу, тем быстрее идет прокатка.

Готовый прокат, т. е. металл, прошедший через прокатные станы, поступает на пилы или ножницы. Его разрезают на куски нужной длины и отправляют на холодильник для охлаждения.

Планетарный стан (схема действия).

Очень мощные и высокопроизводительные станы применяются для прокатки балок и рельсов. На Уралмашзаводе в г. Свердловске построен рельсобалочный стан с автоматической поточной линией для отделки рельсов. Весь процесс протекает без применения тяжелого физического труда. Стан этот состоит из 240 отдельных машин общим весом свыше 15 тыс. Т. Удобны и высокопроизводительны непрерывные станы. На станах, с которыми мы уже познакомились, заготовка движется то вперед, то назад. Ее путешествие отнимает больше времени, чем само обжатие. В непрерывном стане клети устанавливаются последовательно одна за другой. Число их равно количеству требуемых проходов металла между валками. Выйдя из одной клети, полоса автоматически попадает во вторую, затем в третью. Прокатка идет без пауз, сразу в нескольких клетях. Надо только, чтобы все клети работали с совершенно одинаковой скоростью. Если одна из них будет чуть отставать, то между ними накопится лишний металл. А если клеть начнет работать чуть быстрее других, то металл чересчур натянется, на нем образуются трещины.

Непрерывные станы очень удобны для прокатки широких тонких стальных листов. На таких станах катают лист толщиной от 6 до 2 мм и даже тоньше. Есть такие тонколистовые станы, которые выпускают более 2 млн. Т листа в год.

Толщина прокатываемого листа контролируется на ходу рентгеновскими или радиоактивными лучами. Прокатанный лист свертывается в рулон и идет на дальнейшую прокатку уже в холодном виде.

Совсем по-новому расположены валки в планетарных станах. Название этих станов раскрывает замысел конструктора. Планетарный стан состоит из одной клети и поэтому занимает мало места. Он имеет два опорных валка с самостоятельными моторами. А вокруг каждого валка установлен ряд рабочих, или планетарных, валков. Они вращаются вокруг своей оси. За один проход в рабочей клети можно получить до 20 обжатий.

Валки стана для прокатки бесшовных труб (момент прошивки болванки)

Из специальных станов чаще всего встречаются трубные. Существуют два способа получения труб. По первому способу стальную заготовку круглого сечения продырявливают (прошивают). Получается короткая гильза, которую потом раскатывают в длинную трубу. Она без шва, ив этом ее достоинство. Другой способ — стальной лист сворачивают и сваривают. В последние годы появились станы спиральных труб. Их делают не из листа, а из узкой стальной ленты, которую сворачивают по спирали.

Имеются станы для прокатки шаров подшипников и шаровых мельниц. Сконструированы станы для прокатки наиболее распространенных деталей машин, например осей автомобиля «Москвич» и др.

Скорость прокатки беспрерывно возрастает. Так, горячие стальные листы катают со скоростью до 40 км/час. Холодная прокатка стального листа совершается со скоростью свыше 100 км/час, прокатка проволоки — 120 км/час. Горячий лист двигается со скоростью пассажирского поезда, а горячая проволока со скоростью курьерского поезда. Стоишь у стана, и перед глазами молниеносно проносятся красные нити, которые свертываются в бунты.

Девять раз по экватору В течение семилетки будет введено в строй 50 новых прокатных станов. А знаешь ли ты, что представляет собой современный прокатный стан? Вот описание одного из них, изготовляемого Ново-Краматорским машиностроительным заводом. Стан состоит из 300 отдельных узлов, для установки которых понадобится построить цех длиной в 1 км. Стальная полоса будет двигаться, между валами стана со скоростью в 12 м/сек — за ней с трудом «угонится» поезд. Если весь металл, прокатанный на стане за год, сложить в одну стальную полосу, то она 9 раз окружит земной шар по экватору. Сотни тысяч станков обрабатывают металл. А прокатных станов, поставляющих «пищу» станкам, существует на всю страну самое большее несколько сотен. Зато каждый из них обладает огромной мощностью и производительностью.

Сегодня и завтра

Путь от железной руды до рельса или стального листа, как мы убедились, сложный, извилистый. В доменной печи углерод отнимает у железной руды кислород, но в то же время железо излишне насыщается углеродом; затем кислород помогает получать сталь.

В домну вдувают нагретый воздух: чем больше дутья принимает доменная печь, тем лучше идет плавка. Но для успешного хода доменного процесса нужен не воздух, а только составная часть его — кислород. Когда в доменную печь вдувают воздух, вместе с каждой молекулой кислорода поступает около четырех молекул азота, который ни в каких химических реакциях не участвует. А между тем на обогрев его тратится тепло. Масса азота подпирает шихту и задерживает ее опускание в горн. Чтобы улучшить работу домен, воздух надо обогатить кислородом. Этого не делали, потому что получение кислорода до последнего времени обходилось очень дорого. Теперь, когда нашли способ получать дешевый кислород, доменщики все шире его применяют.

Применение кислорода ведет к упрощению всего доменного хозяйства. Можно уменьшить размеры и мощность оборудования для подачи дутья, транспортирования и очистки газов. Громоздкие кауперы можно заменить более простыми. При достаточной концентрации кислорода в дутье можно будет уменьшить высоту печей, а это позволит снизить довольно жесткие требования к механической прочности кокса.

Большие возможности для увеличения выплавки чугуна открылись при использовании в доменных печах природного газа. Семилетним планом развития народного хозяйства СССР предусматривается перевод свыше 50 доменных печей на новый режим, с использованием природного газа и кислорода.

Еще большее значение имеет применение кислорода при выплавке стали. Даже небольшое обогащение кислородом поступающего в мартеновскую печь воздуха сократит длительность плавок примерно на 25%. Кислород открыл новые перспективы для широкого применения конвертерного способа производства стали: оказалось, что при работе на чистом кислороде из конвертера выходит сталь, не уступающая по качеству мартеновской.

И все же применение кислорода — только поправка, правда, очень существенная, к известной нам технологической схеме, по которой из руды сначала получают чугун, а затем его переделывают в сталь.

Крупнейшие ученые нашей страны давно уже задумывались над принципиально новым решением задачи получения стали— прямым путем. В этом направлении работали еще Д. И. Менделеев и Д. К. Чернов.

Один из последних вариантов этой идеи выглядит так: домна, работающая на кислородном дутье, выпускает чугун; по пути своего следования поток чугуна обрабатывается кислородом, насыщается необходимыми добавками и затем разливается на машине непрерывной разливки. Таким образом, весь процесс превращения руды в металл станет беспрерывным.

Выходит, что центральное место во всем процессе все же занимает доменная печь! А нельзя ли обойтись совсем без домен?

Бездоменный процесс может протекать примерно так. Железная руда превращается в технически чистое железо. При помощи магнитов крупинки железа отделяются от массы, и чистый продукт готов для дальнейшей обработки. Из него можно варить сталь различных сортов, прибавляя необходимые количества добавок (легирующих элементов). Из железного порошка можно штамповать готовые изделия.

С вводом в эксплуатацию гигантских электростанций советская металлургия получит много дешевой электроэнергии. Это создаст благоприятные условия для развития электродоменного производства и для еще более широкого применения электричества на всех последующих стадиях обработки железных сплавов. Электродомнам потребуется кокса в 2,5 раза меньше, чем обычным домнам.

Многое из того, что кажется пока мечтой, уже приобретает реальные формы, превращается в действительность. Над решением многих и многих проблем придется поработать следующим поколениям металлургов. Их ожидают интересные дела!

Цветные металлы

Все металлы условно разделяют по окраске на черные и цветные. Черные — это железо и его сплавы, цветные — все остальные металлы и их сплавы. Очень большое значение в технике имеют тяжелые цветные металлы — медь, свинец, олово, никель, цинк — и их сплавы.

Медь — первый металл, с которым познакомился и сдружился человек. Она была известна в глубокой древности. Широко распространились и ее сплавы с оловом (бронза) и с цинком (латунь). Постепенно накапливался человеческий опыт. Расширялось и применение меди. Развитие электротехники создало небывалый спрос на нее.

У меди — наименьшая из всех металлов (кроме серебра) величина электрического сопротивления. Поэтому из меди изготовляют провода и все детали электроустановок, проводящие электрический ток. Более 50% всей добываемой сейчас меди потребляет электротехническая промышленность.

Медные сплавы — латуни и бронзы — превосходят медь по твердости, хорошо поддаются механической обработке и очень стойки к окислению. Это последнее свойство особенно ценно и позволяет применять их в химическом машиностроении. Кроме того, бронзы имеют малый коэффициент трения. Из них делают вкладыши для подшипников, шестерни, червячные колеса, редукторы.

Медные сплавы с оловом (бронзы) и цинком (латуни) были известны в глубокой древности. Из них делали примитивные орудия труда и охоты, украшения, домашнюю утварь. Позднее отливали колокола, пушки, скульптуры.

Сплав меди с никелем — мельхиор — обладает прекрасными пластичными свойствами и устойчивостью против коррозии. Из него штампуют высококачественную посуду и чеканят монеты. А если к мельхиору добавить несколько процентов железа и марганца, то, оставаясь устойчивым против коррозии, он становится весьма прочным. Этот сплав применяют для труб конденсаторов судовых паросиловых установок, которые приходится охлаждать морской водой.

Никель стал известен сравнительно недавно — только с середины XVIII в.

Красноватый цвет руды, содержащей никель, ввел в заблуждение рудокопов и металлургов. Долгое время они полагали, что это медная руда. Однако получить из нее медь никак не удавалось. Тогда решили, что в этой руде сидит злой дух, который мешает добыче меди. Руду эту так и назвали — купфер-никель, что означает «медь злого духа» («купфер» по-немецки — медь, «никель» — название «злого духа»). В чистом виде никель удалось получить только через полстолетия после открытия.

Прочность никеля и его устойчивость против коррозии значительно выше, чем у других цветных металлов. Однако он очень дефицитен, дорого стоит и поэтому в чистом виде в технике широко не применяется.

Чистый никель можно увидеть только на защитно-декоративных покрытиях в виде тончайшей пленки толщиной до нескольких микронов. Даже такой незначительной толщины слой надежно защищает изделия от коррозии и придает им блестящий, серебристый цвет, не тускнеющий со временем. Пленка на поверхности металлических изделий наносится электролитическим способом. Никелируют многие детали автомобилей, велосипедов, счетно-измерительных приборов, хирургические инструменты, предметы домашнего обихода.

Но главным образом никель используют как добавку для производства легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и чугунов и в различных сплавах. Общая особенность никелевых сплавов — высокие механические свойства, жароупорность, сопротивляемость коррозии, высокое электрическое сопротивление и возникновение при нагреве большой электродвижущей силы.

Сплавляя некоторые металлы с никелем и изменяя их процентное содержание, повышают или ослабляют различные свойства сплавов. Наиболее распространен монель-металл — сплав никеля, меди, железа и марганца. Он очень жаропрочен и стоек к разрушительному действию морской воды, щелочей, органических кислот и красителей. Монель-металл применяют в электротехнике для изготовления маслонаполненных кабелей; в судостроении — для крыльчаток насосов, гребных винтов, деталей, паровых турбин; в текстильной, красильной, медицинской промышленности.

Чистый никель часто применяется для защитнодекоративных покрытий.

Хромель — сплав никеля с хромом и алюминием. Он отличается высокой термоэлектродвижущей силой и применяется в термопарах для измерения высоких температур, примерно до 1000°.

Хром в чистом виде идет на защитно-декоративные покрытия. Он придает поверхности изделий твердость, химическую стойкость и красивый внешний вид.

Нихромы — группа сплавов, которые, кроме присущих никелевым сплавам жароупорности и стойкости против коррозии, обладают еще высоким электрическим сопротивлением. Нихромы применяют для изготовления нагревательных элементов.

Свинец и олово, так же как и медь, были известны издавна. Олово в старину сплавляли с медью и получали более твердые материалы.

Свинец — легкоплавкий и мягкий металл, температура его плавления 327°. Его можно обрабатывать самыми примитивными орудиями. Он ковок, легко подвергается прокатке. В Древнем Риме из него делали сосуды, трубы, кровельные листы. В то же время это очень тяжелый металл. Его удельный вес 11,94 Г/см³. Это качество свинца послужило использованию его для изготовления пуль и дроби.

Сейчас в технике больше всего применяют двойные и более сложные сплавы свинца с оловом, медью, сурьмой, мышьяком. Их используют в химической и электротехнической промышленности, а также в общем машиностроении.

Олово и сурьма повышают прочность свинца и стойкость против коррозии. Медь делает его более стойким к действию серной кислоты. Мышьяк увеличивает поверхностное натяжение расплавленного свинца. Из его сплавов с сурьмой делают кислотоупорную аппаратуру, штампы и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с оловом, медью, сурьмой и некоторыми другими элементами — так называемые баббиты — обладают пониженным коэффициентом трения. Из них делают вкладыши подшипников скольжения.

Для типографских сплавов идет свинец с добавкой сурьмы, олова, мышьяка и меди. Оболочки электрических кабелей, прокладываемых в земле и проходящих в пресной и морской воде, делают из свинцового сплава, в состав которого, кроме свинца, входят теллур, сурьма, кадмий, олово и медь.

Последние годы свинца требуется все больше и больше. Дело в том, что он лучше других материалов поглощает вредные для живых организмов радиоактивные излучения, а при использовании атомной энергии это очень важно.

Олово при обычных условиях устойчиво к химическим воздействиям, не реагирует с водой и очень медленно растворяется в разбавленных кислотах. На воздухе оно заметно окисляется только при высокой температуре — выше 150°. Но при температуре ниже 13° обычное белое олово теряет все свои свойства и превращается в другой вид олова — серое. Это превращение называется «оловянной чумой». При переходе белого олова в серое его объем резко увеличивается — примерно на 25% — и металл разрушается. Скорость такого превращения с понижением температуры сильно возрастает и при — 30° достигает максимума. «Оловянная чума» очень «заразна». Стоит только на миг серому олову соприкоснуться с белым, как последнее разрушается. Чтобы белое олово не поразила «оловянная чума», надо хранить его в теплом помещении и строго изолировать от серого. Пораженный «чумой» металл нужно переплавить, и тогда он вновь превратится в полноценное белое олово.

Больше всего олова потребляет консервная промышленность. Оно идет на лужение, изготовление жести, припоев, фольги.

Клады земли С каждым годом растет добыча металлов. Сколько же всего их содержится в земной коре? По подсчетам ученых, в ней есть примерно 755 млн. млрд. Т чистого железа. Правда, лишь ничтожная часть его запасов сосредоточена в годных для добычи и переработки рудах; большая часть его в рассеянном виде присутствует в качестве примесей к различным минералам. Еще больше в земной коре алюминия — свыше 1370 млн. млрд. Т. Это самый распространенный на нашей планете металл. Всех остальных металлов, вместе взятых, гораздо меньше. Тем не менее запасов меди 2 млн. млрд. Т. Золота в земной коре 93,5 млрд. Т, а урана примерно в сто раз больше, чем золота.