Прокатка металлов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОКАТКИ 

        Прокатное производство имеет огромное значение в народном хозяйстве; прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую  часть цветных металлов. Прокаткой называют процесс пластического деформирования тел между вращающимися приводными валками. В этом определении следует обратить внимание на слова «приводными валками». Они означают, что энергия для осуществления деформации передается через валки, соединенные с двигателем прокатного стана. Деформируемое тело можно протягивать через неприводные (холостые) валки, но это будет не процесс прокатки, а процесс волочения. 
 
 
 
 

        На рисунке представлена простейшая и основная схема процесса прокатки, где 1- валки, 2 – полоса. Обрабатываемое тело, в общем случае называемое полосой, пропускается между вращающимися навстречу друг другу валками. Полоса втягивается в валки под действием сил трения на контакте. При прохождении между валками толщина полосы уменьшается, а длина и ширина увеличиваются. 
Прокатка относится к числу основных способов обработки металлов давлением. Методом прокатки получают изделия самой разнообразной формы: тонкие и толстые листы, профили квадратного и круглого сечений, уголки, швеллеры, двутавровые балки, рельсы, трубы и многие другие. При прокатке изделий типа листов применяют валки, рабочая часть (бочка) которых имеет форму круглого цилиндра без каких-либо вырезов и выступов.

        Прокатку в гладких  валках часто называют прокаткой  «на гладкой бочке» (смотри рисунок  выше). При производстве более сложных (сортовых) профилей применяют калиброванные валки, и деформация полосы происходит в калибрах. Как и другие способы обработки давлением, прокатка бывает горячей и холодной. Горячая прокатка распространена шире, чем холодная. Нагретый металл в области высоких температур обладает пониженным сопротивлением деформации и повышенной пластичностью. Холодную прокатку применяют для получения относительно тонких изделий с высококачественной поверхностью, например тонких листов или тонкостенных труб. Иногда находит применение обработка в области промежуточных температур - так называемая теплая прокатка. Следует отметить, что прокатка не только служит для получения изделий определенной формы, но и в значительной степени способствует повышению механических свойств металла. 

        Классификация процессов прокатки

        Процессы прокатки многообразны. Их можно классифицировать по различным признакам. Сначала рассмотрим классификацию по взаимному расположению осей обрабатываемого тела и валков. По этому признаку различают прокатку продольную, поперечную и косую (винтовую). Если ось прокатываемой полосы перпендикулярна оси валков, то прокатку называют продольной. При таком способе прокатки полоса перемещается только вперед, т.е. совершает только поступательное движение. Продольная прокатка является наиболее распространенной.

        При поперечной прокатке ось обрабатываемого тела 3 параллельна оси валков 1. Оба валка вращаются в одну и ту же сторону. Они постепенно сближаются, в результате чего уменьшается диаметр изделия, которое также вращается, но в сторону, противоположную вращению валков. В продольном направлении обрабатываемое тело не перемещается (если нет специальных тянущих устройств). Боковые ролики 2 выполняют вспомогательную функцию: они удерживают изделия между валками. 
 
 
 
 
 

        Поперечную прокатку, используют в металлургии и машиностроении для производства валов, осей, втулок, шестерен и других изделий типа тел вращения. Косая прокатка, называемая также винтовой, занимает промежуточное положение между поперечной и продольной. 
В этом случае оси валков располагаются под углом друг к другу и к оси прокатываемой круглой заготовки. Благодаря такому расположению валков 1 заготовка 4 в процессе прокатки совершает не только вращательное, но и поступательное движение. Точки на поверхности заготовки движутся по винтовой линии. Поскольку угол наклона валков по отношению к оси обрабатываемого тела обычно невелик (до 12-18°), косая прокатка по своему характеру ближе к поперечной, чем к продольной. Процесс косой прокатки широко применяют при производстве бесшовных труб, в частности на прошивных станах, где из сплошной круглой заготовки получают черновую трубу 5 — гильзу. Процесс косой прокатки на прошивном стане схематично показан на рисунке справа. Для образования в заготовке отверстия правильной формы между валками 1 устанавливается оправка 2, закрепленная на стержне. Линейки 3 служат для удержания заготовки в валках. 
 
 
 
 

        Особым видом прокатки является так называемая периодическая прокатка. Она характеризуется тем, что в процессе деформации высота зазора между валками периодически изменяется. Чаще всего это достигается путем придания валкам специальной некруглой формы (смотри рисунок). Таким способом получают периодические профили проката, форма сечения которых периодически изменяется по длине полосы. При изменении обжатия происходит изменение всех параметров прокатки, поэтому периодическую прокатку можно характеризовать как нестационарную (на переходных участках). 

        Область (объём) между  валками, в которой прокатываемый металл непосредственно с ними соприкасается, называется очагом деформации; здесь происходят обжатие металла. Небольшие участки, примыкающие с обеих сторон к очагу деформации, называются внеконтактными зонами деформации; в них металл деформируется лишь в незначительной степени. Очаг деформации состоит из двух основных участков: зоны отставания, в которой средняя скорость металла меньше горизонтальной составляющей окружной скорости валков, и зоны опережения, в которой скорость металла относительно выше. Поэтому скорость выхода прокатываемого металла из валков несколько больше (на 2—6%) их окружной скорости. Граница между этими зонами называется нейтральным сечением. Силы трения, действующие на прокатываемый материал от валков, в зоне отставания направлены по его движению, в зоне опережения — против. Захват металла валками и стабильность протекания процесса обусловливаются силами трения, возникающими на контактной поверхности металла с валками. Для захвата необходимо, чтобы тангенс угла захвата, т. е. угла между радиусами, проведёнными от оси валков к точкам не превысил коэффициента трения. В тех случаях, когда к чистоте поверхности изделий не предъявляют высоких требований, для увеличения угла захвата (а следовательно, и обжатия) поверхности валков придаётся шероховатость путём насечки.

           Практически  углы захвата находятся в следующих пределах: при горячей прокатке в гладких валках 20—26°, в насеченных — 27—34°; при холодной прокатке со смазкой — 3—6°.

        Деформация прокатываемого металла в направлении ширины его сечения называется уширением (разность между шириной сечения до и после П.). Уширение возрастает с повышением обжатия, диаметра валков и коэффициента трения между металлом и поверхностью валков.

        Далее, процессы прокатки подразделяют на симметричные и несимметричные. Симметричной прокаткой называют такой процесс, при котором воздействие каждого из валков на обрабатываемое тело является совершенно одинаковым, идентичным. Если это условие нарушается, то прокатку называют несимметричной. К числу несимметричных процессов относятся: прокатка в валках неравного диаметра, прокатка с одним приводным валком, прокатка при различных окружных скоростях валков, прокатка при неравномерном (несимметричном) распределении механических свойств по высоте полосы, прокатка при различных условиях трения на валках и др. 
Важным условием процесса прокатки является наличие или отсутствие внешних сил, приложенных к концам полосы. По этому признаку различают свободную и несвободную прокатку. Свободной называют прокатку тогда, когда на полосу действуют силы только со стороны валков. Несвободная прокатка осуществляется с натяжением (а) или подпором (б) концов полосы. Силы натяжения или подпора создаются смежными прокатными клетями, намоточно-натяжными барабанами или другими устройствами. На рисунке показаны силы натяжения (а) и подпора (б) при прокатке: 1 - заднее натяжение; 2 - переднее натяжение; 3 - задний подпор; 4 -передний подпор. 
 
 
 
 

        В теории прокатки часто  используют термин простой процесс прокатки или простой случай прокатки. Под этим термином подразумевается процесс свободной симметричной продольной прокатки, причем чаще всего имеется в виду прокатка полосы прямоугольного сечения в цилиндрических валках. Теория простого процесса прокатки является основой для анализа других, более сложных случаев прокатки.

        Прокатка бывает горячей и холодной. Холодную прокатку применяют для получения тонких изделий, например, листов малой толщины, стальных полос. Прокатку производят на реверсивных и непрерывных станах; возникающий при этом наклеп устраняется последующим отжигом. Понятие о бесслитковой прокатке. Этот процесс заключается в совмещенной разливке и прокатке полуфабрикатов из цветных металлов и их сплавов (листов, лент, полос), которые получают заливкой жидкого металла в зазор между двумя охлаждаемыми водой вращающимися валками. Этот способ удешевляет и упрощает изготовление изделий, так как исключается отливка слитков и подготовка их к прокатке.

        Отметим, что скорость выхода прокатанного металла из валков всегда больше, чем скорость входа заготовки в валки. Это необходимо учитывать при прокатке заготовки одновременно несколькими парами валков.