Прокатный стан

Прокатка – обжатие металла между вращающимися валками, придающее изделию требуемую форму и размеры. Она позволяет производить равномерные по толщине металлические листы.
До XVI в. их получали лишь свободной ковкой. Однако сделать лист с одинаковой по всей площади толщиной было сложно. Эту проблему помог решить прокатный стан.
Впервые о прокатке металлов написал в 1495 г. Леонардо да Винчи. Он изобразил ручной прокатный стан с плоскими валками и пояснил его работу. На стане делали равномерные тонкие оловянные листы. В этом стане приводным был нижний валок, на оси которого находилось червячное колесо. Массивная рукоятка вращала валок посредством червячной передачи.
В первой половине XVI в., наряду с гладкими валками, появились калиброванные. Первые предназначались для прокатки широких полос и листов, а вторые – для прокатки различных профилей.
В XVI в. прокатные станы применялись для изготовления изделий из олова, свинца, золота, серебра и меди.
Итальянец Дж. Бранка в книге «Машины» изобразил вальцево?чеканочный стан для прокатки и одновременной чеканки медалей и монет. На нем были установлены нарезные валки. Для передачи движения от верхнего валка к нижнему применялась шестеренная передача. Ведущая шестерня была насажена на ось верхнего прокатного валка, ведомая – на ось нижнего. Шестеренная передача обеспечивала одинаковую окружную скорость валков.
В XVI–XVII вв. для привода станов использовались сила рабочих и гидравлический двигатель. Во Франции с 1550 г. было разрешено применять на монетных дворах прокатные станы на конной тяге.
Гораздо медленнее прокатные станы прокладывали себе дорогу в железоделательной промышленности.
Начальник Уральских горных заводов В. И. Геннин наладил на Урале производство железных прутков с помощью плющильных и резательных станов. Они были установлены на Екатеринбургском заводе в начале 30?х годов XVIII века.
Важнейшей частью плющильного стана являлись рабочие валки. Их делали из железа, наваривая на него уклад. После этого, во избежание выпуска брака, их гладко и ровно обтачивали. Общий вес такого стана составлял 2130 кг. Его ремонт выполняли мастера с подмастерьями и работниками. Мастер был обязан наблюдать и ухаживать за машиной, регулярно ее смазывать.
Позже прокатный и резательный станы стали располагать в линию. Это позволило соединить их верхние и нижние валки, приводящиеся в движение двумя гидравлическими двигателями. Правое колесо вращало верхние валки прокатного стана, левое, двигаясь в противоположном направлении, вращало нижние валки обоих станов. Валки отливались из чугуна и укреплялись в прочных металлических стойках.
В XVIII в. прокатные устройства применялись для выделки листового и полосового железа на предприятиях Швеции. В них нагретые куски железа пропускались между двумя цилиндрами. Полученные листы вновь нагревали в печи и пропускали через валки.
Однако листовое железо производилось в основном ковкой. Трудность введения прокатных станов состояла в том, что железо, даже размягченное нагревом, дает большую нагрузку на прокатные валки, что требует применения мощных гидравлических колес и значительного расхода воды.
В то время листовая прокатка применялась при выделке листов из свинца и олова. На английских предприятиях были крупные прокатные станы для прокатки свинца. Они приводились в действие с помощью гидравлических двигателей или лошадей. Стан состоял из двух прокатных валков из литого железа диаметром 300 мм и длиной более 1,5 м. Изменение направления вращения валков, осуществлялось системой шестерен. Она позволяла не переносить свинцовые плиты для повторной прокатки на другую сторону стана, а задавать в валки там, где они находились. Металл подавался к валкам деревянными роликами – прообразом современного рольганга. Отлитая заготовка поднималась на ролики поворотным краном. Для обслуживания стана требовалось 6 рабочих и 6 лошадей. За 10 рабочих часов толщина листа уменьшалась с 45 до 2,5 мм. На это уходило около 200 пропусков.
Впервые прокатку железа в валках с ручьями осуществил француз Флюер. Для этого он применил двухвалковый реверсный прокатный стан с ручьями ромбической и овальной формы. Кованая заготовка подвергалась шестикратной прокатке при трех промежуточных нагревах. В первый ручей ромбической формы задавалась заготовка овального сечения, затем она пропускалась через ручей овальной формы. Потом она вновь нагревалась и прокатывалась. При заключительной прокатке металл поступал в калибр круглой формы. В результате получался пруток диаметром 6,3 мм. За 24 часа 6 рабочих и несколько учеников прокатывали более 2720 кг прутков. За то же время на рычажно?клещевых станах изготавливали около 230 кг.
В XIX в. прокатка опередила по масштабам вырабатываемой продукции кузнечную обработку металлов. Тогда выпускались катаные железные рельсы, различные профили, полосовой и листовой металл, трубы и проволока. Все применявшиеся в этот период прокатные станы относились к одной из следующих групп: обжимные, заготовочные, сортовые, листовые и полосовые, трубопрокатные и деталепрокатные.
За 70 лет XIX в. были заложены основы современного прокатного машиностроения. Получили распространение прокатные станы с горизонтальными и вертикальными валками, появились трехвалковые станы.
В XIX в. было разработано несколько новых типов прокатных станов, отличающихся друг от друга расположением рабочих клетей. В их числе линейные, сдвоенные, ступенчатые, непрерывные и полунепрерывные станы.
На рубеже XVIII–XIX вв. прокатный стан сыграл важную роль в широком распространении нового способа получения сварочного железа – пудлингования.
При пудлинговании накатанная в печи крица после проковки под молотом обжималась в валках прокатного стана, превращаясь в полосовое железо. При прокатке металл уплотнялся и освобождался от шлаков. Применение прокатки значительно сократило время обработки крицы.
Для обжатия криц применялись также так называемые «качающиеся» станы, изобретенные английским металлургом Дж. Вилкинсоном в 1792 году. Они стали прообразом реверсивных прокатных станов – блюмингов и слябингов.
Двухвалковые прокатные станы в 1828 г. стали использоваться для прокатки рельсов в Бедлингтоне (Англия). Они делались из пакетов, средняя часть которых собиралась из сырого железа, а поверхность катания – из твердого железа. На подошву пакета шло волокнистое катаное железо. Прокатку производили обжимными и сварочными ручьями. Затем рельс пропускали через ручьи чистового стана.
До 40?х годов XIX в. для привода прокатных станов наряду с паровым двигателем применялось гидравлическое колесо. Каждый валок приводился во вращение отдельным гидравлическим двигателем. Водяные колеса располагались по обе стороны рабочей клети.
Однако более прогрессивной была зубчатая передача. Она имела ряд преимуществ: небольшие габариты, высокий КПД, долговечность и надежность.
В конце XVIII в. появились линейные прокатные станы, состоявшие из двух или трех расположенных рядом рабочих клетей (дуо). Верхние валки первой и второй рабочих клетей жестко соединялись друг с другом и с верхним зубчатым колесом шестеренной клети с помощью шпинделей. Таким же образом нижние валки соединялись с нижним зубчатым колесом шестеренной клети, вал которого был связан с двигателем.
Эти станы применялись для прокатки криц. Крица пропускалась через первый ручей, затем передавалась на противоположную сторону клети и пропускалась во второй ручей. Аналогично металл пропускался и в остальных ручьях. При каждой подаче заготовку поворачивали на 90°. Число пропусков зависело от размера изделия.
Диаметр валков таких станов колебался от 400 до 600 мм, длина – от 1200 до 1600 мм, скорость вращения – от 25 до 40 об/мин. На каждом валке было 7–12 ручьев. Для удаления жидких шлаков между поверхностями валков делался зазор, а ручьи имели закругленную форму. Клеть с квадратными ручьями была обжимной, с прямоугольными – чистовой. Прокатанные полосы разрезали, сортировали в пакеты и сваривали в заготовки для дальнейшей обработки.
В линейном стане прокатные валки обеих клетей вращаются с одинаковой скоростью. Эта система называлась английской. Ее основной недостаток – большие потери времени при передаче металла от одной клети в другую и невозможность изменения скорости прокатки с увеличением длины изделия. Он был устранен французом Ф. Томе, который в 1838 г. поставил обжимную клеть перед чистовой линией, состоящей из нескольких клетей. Валки чистовой клети вращались с повышенной скоростью, что увеличивало производительность стана. Такая схема получила название французской.
На основе французской системы была создана так называемая ступенчатая система, при которой в стане было нескольких линий. Такую систему назвали немецкой. Ее производительность возросла за счет увеличения скорости прокатки на каждой ступени. Ступенчатая система стала наиболее эффективной.
Увеличение заготовок и появление крупных слитков литой стали требовали создания более мощных и совершенных прокатных станов.
Идею создания трехвалкового стана предложил в XVIII в. шведский металлург X. Полем. Такой стан позволял пропускать металл в двух направлениях без реверсирования вращения валков. Трехвалковые станы появились в начале XIX в. и применялись для сортовой прокатки. Позже на них изготавливали крупные профили, листы и полосы.
В 1857 г. американец Джон Фриц создал мощный трио?стан для прокатки рельсов, снабженный приспособлениями для подачи металла в валки и механизмами для передвижения его в агрегате. На нем прокатывали слитки стали массой до 3–5 тонн.
Американец А. Голлей создал прокатный трио?стан с неподвижными верхним и нижним валками. В 1871 г. он сконструировал трио?стан (блюминг) для прокатки рельсов и сортового металла.
Для обработки крупных заготовок и слитков требовались надежные способы реверсирования валков. Первые конструкции таких станов имели реверсивные передачи и муфты, управляющиеся сначала вручную, а позднее гидравлическими устройствами. Позже стали реверсировать сам двигатель.
В 1866 г. Делен применил для листопрокатного стана дуореверсивную сдвоенную паровую машину. В 1867 г. в Англии инженер Дж. Рамсботтом применил такую же машину для привода валков дуопрокатного стана.
В универсальном прокатном стане, наряду с парой горизонтальных валков, есть пара вертикальных валков для обжатия металла с боков. Он применяется в том случае, когда кантовка изделия затруднена.
Такой стан был изобретен в 1848 г. директором сталелитейного завода в Вестфалии (Германия) Деленом. Он позволил изменять в широких пределах размеры изделий без замены валков, что обусловило его более высокую производительность и экономичность. На нем изготовляли различные изделия, в том числе полосы и рельсы. Вначале прокатку рельсов осуществляли на прокатных станах с одной парой обжимных и одной парой чистовых валков. В 1868 г. Маррель предложил вести черновую прокатку на реверсивном стане с изменяемым давлением. Для этого валки раздвигались и захватывали поданную в них болванку. Верхний валок опускали после каждого пропуска рельса пока он не сходился вплотную с нижним. В процессе прокатки рельс обжимался двумя вертикальными валками. Затем его пропускали через чистовые ручьи без вертикальных валков.
В 1857 г. англичанин Г. Бессемер запатентовал бесслитковую прокатку. Она позволила получать металлические листы путем заливки жидкого металла в зазор между вращающимися в разные стороны горизонтальными валками. На такой установке впервые был получен стальной лист толщиной 1 мм и длиной 1,2 м. В ней были совмещены литье, кристаллизация и деформация металла.
Ученых и изобретателей давно занимала идея создания прокатного стана непрерывного действия. Еще в 1775 г. механик Нижнетагильского металлургического завода Е. Г. Кузнецов создал модель непрерывного прокатного стана, состоявшего из двух пар горизонтальных валков. В процессе прокатки заготовка автоматически передавалась из первой пары валков во вторую. В 1778 г. изобретатель построил действующий стан. Однако запустить его не позволила недостаточная мощность водяного колеса.
В 1798 г. непрерывный прокатный стан с горизонтальными валками предложил англичанин У. Хезлидайн. Стан состоял из трех прокатных клетей дуо, связанных друг с другом направляющими. По ним прокатываемая полоса передавалась из клети в клеть. Этот проект не был реализован.
В 1861 г. Ч. Уайль изобретел непрерывный прокатный стан. Он имел несколько прокатных клетей с попеременно чередующимися горизонтальными и вертикальными валками и служил для обжатия криц и заготовок из сварочного железа.
Непрерывный прокатный стан Дж. Бедсона был запатентован в 1862 г. Он состоял из нескольких пар вертикальных и горизонтальных валков (от 13 до 16), расположенных друг за другом на расстоянии, несколько меньшем длины прокатываемой полосы, что обеспечивало автоматическую подачу проката в валки. Попеременная горизонтальная и вертикальная расстановка валков не требовала поворота заготовки при перемещении из клети в клеть. Скорость валков возрастала с уменьшением длины полосы. Вместо 6 человек новый стан обслуживали рабочий и помощник.
Быстрое распространение непрерывных прокатных станов началось в 70?е годы XIX в., когда появились бессемеровская и мартеновская стали. Прокатка на непрерывных станах резко повысила производительность производства.
Для повышения эффективности прокатки требовалось рациональное размещение рабочих клетей. Кроме уже существовавших схем получили распространение новые: полунепрерывные, с последовательным («кросс?каунтри») и шахматным расположением рабочих клетей.
При прокатке на станах «кросс?каунтри» полоса движется зигзагообразно. Затем она периодически движется параллельно, но в противоположном направлении.
В «шахматных станах» число рабочих клетей соответствует количеству проходов для прокатки. Скорость прокатки увеличивается по мере роста длины заготовки. Особенность прокатки на этих станах в том, что заготовка поступает в следующую клеть лишь выйдя из предыдущей. Это происходит автоматически, благодаря косому расположению роликов в передней части рольганга.
Повышение требований к точности размеров проката вызвало необходимость создания станов с многовалковыми клетями, уменьшающими или исключающими прогиб валков при работе и придающими конструкции необходимую жесткость. Начало этому направлению положил Б. Лаут. В 1862 г. он создал 3?валковый прокатный стан с одним рабочим и двумя опорными валками.
Его развитием стал 4?валковый стан (кварто). В нем два рабочих валка опираются на два опорных валка большего диаметра. Все валки расположены в одной вертикальной плоскости. Станы кварто получили широкое распространение в горячей и холодной прокатке тонкого листа и ленты из стали и цветных металлов.
В 1860 г. немецкий инженер Рейнхард Маннесман подал идею прокатки бесшовных труб. В 1885 г. Р. Маннесман и его брат Макс взяли патент на валковый прошивной стан. В нем нагретая сплошная заготовка превращалась в короткую толстостенную трубу или гильзу. Стан состоял из двух вращающихся в одном направлении валков, расположенных под углом друг к другу. Возникающая между валками и заготовкой сила трения направлена под углом к оси заготовки. В процессе взаимодействия заготовки и валков она разлагается на две составляющие. Сила, касательная к окружности заготовки, вращает ее, а сила, параллельная оси заготовки, двигает ее вперед. При одновременном вращательном и поступательном перемещении заготовка надвигается на оправку, препятствующую ее поступательному движению. В результате периферийные слои металла вытягиваются валками по винтовой линии вдоль оправки, выходя из конусов в виде трубы. Этот процесс был впервые применен в 1887 году.
В 1891 г. Маннесманы создали пильгер – стан для раскатки короткой толстостенной гильзы в длинную трубу с нормальной толщиной стенки. Он состоял из двух валков, имеющих калибры переменного сечения по окружности.
Возрастание скорости прокатки требовало автоматической передачи полосы из клети в клеть или из одного ручья в другой. Эта задача была решена созданием специальных приспособлений – автоматических проводок (обводок).
В 1877 г. Мак?Каллип предложил проводку для передачи прокатываемой полосы из верхней пары валков одной клети в нижнюю пару валков другой клети. Этот процесс усовершенствовали в начале XX в. Шепф и Мозаннер. Это решило проблему безопасной эксплуатации и высокопроизводительной работы прокатных станов.
В конце XIX в. в прокатном производстве применялись различные системы, передающие движение от двигателя к прокатным станам. Наиболее распространенным был групповой привод, в котором энергия передавалась ременными и канатными передачами. Для выравнивания хода двигателя на его валу устанавливался маховик. Сообщенная маховику во время ускорения хода машины кинетическая энергия расходовалась в остальное время для плавной и равномерной работы стана.
Позже появился электрический привод. Его особенность – плавность включения и быстродействие. Электропривод позволил точно регулировать скорости прокатных валков и создать станы с автоматизированным управлением. Впервые такой привод был применен в 1897 г. в Германии. Наиболее рациональным стал вариант, в котором каждый валок приводится в действие отдельным электродвигателем.
В 30?е годы XX в. прокатные станы были механизированы. Так, для подъема и опускания верхнего валка использовался механизм, состоящий из электрического нажимного устройства и гидравлического уравновешивателя. Станы оборудовались механическими рольгангами, направляющими линейками, манипуляторами. Реверсирование валков осуществлялось изменением направления вращения главного двигателя. В 50?е годы XX в. были разработаны литейно?прокатные агрегаты, соединившие процессы непрерывного литья заготовок и прокатку. Они обеспечивали непрерывность процессов литья и прокатки благодаря использованию первичной теплоты слитка.
В СССР первая такая установка была создана в 1965 г. В ней жидкий металл подавался между валков снизу вверх. В другом способе формирование слитка происходило после окончания кристаллизации. В конце 50?х годов XX в. в СССР был разработан так называемый литейно?прокатный стан, совмещавший непрерывное литье и прокатку.
В 60?е годы прошлого века применение вычислительной техники произвело коренные преобразования в прокатке. ЭВМ осуществляет оперативный учет производства и слежения за прокатываемым металлом, управляет нажимным устройством и манипуляторными линейками, контролирует все производственные процессы.