Введение
Процесс формовки металла
В металлообработке прокатка – это процесс формовки металла, при котором заготовка пропускается через одну или несколько пар валков для уменьшения толщины, выравнивания толщины и/или придания требуемых механических свойств. Принцип работы схож с раскаткой теста. Прокатка классифицируется в зависимости от температуры металла. Если температура металла выше температуры рекристаллизации, процесс называется горячей прокатной обработкой. Если температура металла ниже температуры рекристаллизации, процесс называется холодной прокатной обработкой. По объему производства горячая прокатка превосходит любой другой производственный процесс, а холодная прокатка – любой процесс холодной обработки металла. Прокатные станы, содержащие пары валков, объединяются в прокатные линии, которые позволяют быстро обрабатывать металл, как правило сталь, в такие продукты, как конструкционная сталь (двутавры, уголки, швеллеры), сортовой прокат и рельсы. Большинство сталелитейных заводов имеют прокатные цеха, которые перерабатывают полуфабрикаты литья в готовую продукцию. Существует множество видов прокатных процессов, включая кольцевую прокатку, гибку с прокатом, профилегибочную прокатку, прокатку профилей и контролируемую прокатку.
Железо и сталь
Самые ранние прокатные станы в примитивной форме, но с теми же основными принципами, были найдены на Ближнем Востоке и в Южной Азии еще в 600 году до нашей эры. Изобретение прокатного стана в Европе можно отнести к Леонардо да Винчи, запечатлевшему его в своих чертежах. Первыми были прорезные станы, которые были привезены в Англию из современной Бельгии в 1590 году. Они пропускали плоские заготовки между валками, формируя железную пластину, которая затем проходила между рифлеными валками (прорезными ножами) для получения железных прутков. Первые эксперименты по прокатке стали для изготовления белой жести (оловянной стали) были проведены около 1670 года. В 1697 году майор Джон Хэнбери построил стан в Понтипуле для прокатки "Pontypool plates" – черновой стали. Позже ее стали перекатывать и лудить для производства белой жести. Раннее производство листового железа в Европе осуществлялось в кузницах, а не на прокатных станах. Прорезной стан был адаптирован для производства обручей (для бочек) и железа полукруглого или другого профиля с помощью технологий, ставших предметом двух патентов около 1679 года. Одни из самых ранних литературных упоминаний о прокатных станах можно найти в труде шведского инженера Кристофера Польхема «Patriotista Testamente» 1761 года, где он упоминает прокатные станы как для листового, так и для сортового железа. Он также объясняет, как прокатные станы позволяют экономить время и рабочую силу, поскольку один прокатный стан может одновременно производить от 10 до 20 и более заготовок. В 1759 году англичанин Томас Блокли получил патент на полировку и прокатку металлов. В 1766 году Ричард Форд из Англии получил патент на первый тандемный стан. Тандемный стан – это стан, в котором металл прокатывается последовательно через несколько клетей; тандемный стан Форда предназначался для горячей прокатки проволочного прутка.
Другие металлы
К концу XVII века, по всей видимости, уже существовали прокатные станы для свинца. К концу XVIII века также стали прокатывать медь и латунь.
Современная прокатка
До начала XVIII века прокатные станы приводились в движение водяными колесами. Первое задокументированное использование парового двигателя для непосредственного привода прокатного стана связано с Брэдли-Уоркс Джона Уилкинсона, где в 1786 году двигатель Boulton and Watt был соединен с разделительно-прокатным станом. Использование паровых двигателей значительно повысило производительность прокатных станов, пока эта форма энергии не была вытеснена электродвигателями вскоре после 1900 года. Современная практика прокатки берет свое начало в новаторских разработках Генри Корта с Фунтли-Айрон-Миллс, расположенных недалеко от Фарэхама в графстве Хэмпшир, Англия. В 1783 году Генри Корту был выдан патент на использование рифленых валков для прокатки железных прутков. Благодаря этой новой конструкции станы могли производить в 15 раз больше продукции в день, чем при использовании молота. Хотя Корт и не был первым, кто использовал рифленые валки, он первым объединил в себе многие из лучших характеристик различных процессов производства и формования железа, известных на тот момент. Поэтому современные авторы называют его «отцом современной прокатки». Первый стан для прокатки рельсов был основан Джоном Биркеншоу на Bedlington Ironworks в Нортумберленде, Англия, в 1820 году, где он производил кованые железные рельсы с рыбковым профилем длиной от 15 до 18 футов. Горячекатаные металлы обычно обладают незначительной анизотропией механических свойств или остаточных напряжений, вызванных деформацией. Однако в некоторых случаях неметаллические включения придают определенную направленность, а заготовки меньшей толщины часто обладают направленными свойствами. Неравномерное охлаждение приводит к возникновению значительных остаточных напряжений, что обычно происходит в деталях с неравномерным поперечным сечением, таких как двутавры. Хотя готовая продукция имеет хорошее качество, ее поверхность покрыта окалиной – оксидом, образующимся при высоких температурах. Обычно окалину удаляют путем травления или обработки для получения гладкой чистой поверхности (SCS), которая обнажает гладкую поверхность. Горячекатаная мягкая сталь, по-видимому, допускает более широкий диапазон содержания углерода, чем холоднокатаная сталь, и поэтому ее сложнее использовать кузнецу. Горячая прокатка в основном используется для производства листового металла или простых профилей, таких как железнодорожные рельсы.
form of power was displaced by electric motors soon after 1900. Modern rolling practice can be attributed to the pioneering efforts of Henry Cort of Funtley Iron Mills, near Fareham in Hampshire, England. In 1783, a patent number was issued to Henry Cort for his use of grooved rolls for rolling iron bars. With this new design, mills were able to produce 15 times more output per day than with a hammer. Although Cort was not the first to use grooved rolls, he was the first to combine the use of many of the best features of various ironmaking and shaping processes known at the time. Thus modern writers have called him "father of modern rolling". The first rail rolling mill was established by John Birkenshaw at Bedlington Ironworks in Northumberland, England, in 1820, where he produced fish bellied wrought iron rails in lengths of 15 to 18 feet. Hot rolled metals generally have little directionality in their mechanical properties or deformation induced residual stresses. However, in certain instances non metallic inclusions will impart some directionality and workpieces less than thick often have some directional properties. Non uniform cooling will induce a lot of residual stresses, which usually occurs in shapes that have a non uniform cross section, such as I beams. While the finished product is of good quality, the surface is covered in mill scale, which is an oxide that forms at high temperatures. It is usually removed via pickling or the smooth clean surface (SCS) process, which reveals a smooth surface. Hot rolled mild steel seems to have a wider tolerance for the level of included carbon than does cold rolled steel, and is, therefore, more difficult for a blacksmith to use. Hot rolling is used mainly to produce sheet metal or simple cross sections, such as rail tracks.
Конструкция формовой прокатки
Валочные мельницы часто делятся на грубовальные, промежуточные и отделочные валковые клетки. При формоизменяющей прокатке исходная заготовка (круглая или квадратная) с диаметром, обычно в диапазоне от 100 до 140 мм, непрерывно деформируется для получения определенного готового изделия с меньшими размерами поперечного сечения и заданной геометрией. Начиная с заданной заготовки, могут быть использованы различные последовательности для получения определенного конечного продукта. Однако, поскольку каждый прокатный стан значительно дорог (до 2 миллионов евро), типичным требованием является уменьшение количества прокатных проходов. Достигнуты различные подходы, включая практический опыт, использование численных моделей и методы искусственного интеллекта. Lambiase и др. валидировали модель конечных элементов (МКЭ) для прогнозирования окончательной формы проката при проходе в круглом плоском пазу. Одной из основных задач при проектировании прокатных станов является сокращение количества проходов. Возможным решением этой задачи является проход с разрезом, также называемый разделительным проходом, который разделяет поступающую заготовку на две или более частей, тем самым виртуально увеличивая степень восстановления поперечного сечения за проход, как сообщается Lambiase. Другим решением для уменьшения количества проходов на прокатных станах является использование автоматизированных систем для проектирования прокатных пазов, как это было предложено Lambiase и Langella. Впоследствии Lambiase разработала автоматизированную систему на основе искусственного интеллекта, в частности, интегрированную систему, включающую логический вывод, основанный на генетических алгоритмах, базу знаний, основанную на искусственной нейронной сети, обученной параметрической моделью конечных элементов, для оптимизации и автоматического проектирования прокатных станов.
Холодная прокатка
Холодная прокатка происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации металла (обычно при комнатной температуре), что повышает прочность за счет упрочнения от деформации до 20%. Также улучшается качество поверхности и достигается более высокая точность размеров. К распространенным продуктам холодной прокатки относятся листы, полосы, прутки и стержни; эти изделия, как правило, имеют меньшие размеры, чем аналогичные изделия, полученные горячей прокатной обработкой. В связи с меньшими размерами заготовок и их большей прочностью по сравнению с горячекатаным материалом, для холодной прокатки используются четырехвалковые или кластерные прокатные станы.
Формирование на роликах
Профилирование в прокатных станах, гибка в прокатных станах или вальцовка — это непрерывная операция гибки, при которой длинная полоса металла (обычно стальной рулон) проходит последовательно через комплекты валков или стенды, каждый из которых выполняет лишь небольшую часть общей гибки, пока не будет достигнут требуемый профиль поперечного сечения. Профилирование в прокатных станах идеально подходит для производства деталей большой длины или в больших количествах. Существуют три основных процесса: с четырьмя валками, с тремя валками и с двумя валками, каждый из которых имеет свои преимущества в зависимости от требуемых характеристик готового листа.
Плоская прокатка
Плоская прокатка – это наиболее простая форма прокатки, при которой исходный и конечный материал имеют прямоугольное поперечное сечение. Материал подается между двумя валками, называемыми рабочими валками, вращающимися в противоположных направлениях. Зазор между валками меньше толщины исходного материала, что вызывает его деформацию. Уменьшение толщины материала приводит к его удлинению. Сила трения на границе между материалом и валками заставляет материал продвигаться вперед. Величина возможной деформации за один проход ограничена трением между валками; если изменение толщины слишком велико, валки просто проскальзывают по материалу, не захватывая его. Алюминиевая фольга – наиболее часто производимый продукт методом прокатки в рулонах (pack rolling). Это заметно по разнице в отделке поверхности: блестящая сторона обращена к валку, а матовая – к другому листу фольги.
Кольцевая прокатка
Кольцевая прокатка — это специализированный вид горячей прокатки, увеличивающий диаметр кольца. Исходным материалом является кольцо с толстыми стенками. Эта заготовка помещается между двумя валками: внутренним поддерживающим и приводным, который оказывает давление на кольцо снаружи. В процессе прокатки толщина стенок уменьшается, а диаметр увеличивается. Валки могут иметь различную форму поперечного сечения для получения профилей различной формы. В результате формируется кольцевая структура зерна, обеспечивающая улучшенные механические свойства. Диаметры могут достигать больших размеров, а высота стенок – значительной высоты. Типичные области применения включают железнодорожные колеса, подшипники, зубчатые колеса, ракеты, турбины, самолеты, трубы и сосуды под давлением.
Конфигурации
Мельницы разрабатываются в различных конструкциях, при этом наиболее простой является двухвалковая нереверсивная мельница, что означает наличие двух валков, вращающихся только в одном направлении. Двухвалковая реверсивная мельница имеет валки, которые могут вращаться в обоих направлениях, но недостатком является необходимость остановки, реверса и последующего разгона валков до прокатной скорости между каждым проходом. Для решения этой проблемы была изобретена трехвалковая мельница, использующая три валка, вращающихся в одном направлении; металл подается через два валка и возвращается через другую пару. Недостатком этой системы является необходимость подъема и опускания заготовки с помощью подъемника. Все эти мельницы обычно используются для первичной прокатки, а диаметр валков варьируется от мельниц для блюминга, коггинга и штамповки, являющихся подготовительными мельницами для прокатки готовых рельсов, профилей или плит соответственно. Если они реверсивные, их диаметр составляет от 34 до 48 дюймов, а если трехвалковые – от 28 до 42 дюймов. Мельницы для блюмов, три валка, диаметром от 24 до 32 дюймов, используются для дальнейшего уменьшения размеров блюмов до размеров 1,5x1,5 дюйма, являясь подготовительными мельницами для производства сортового и мерного проката. Мельницы для балок, три валка, диаметром от 28 до 36 дюймов, предназначены для производства тяжелых балок и швеллеров размером 12 дюймов и более. Рельсовые мельницы с валками диаметром от 26 до 40 дюймов. Профильные мельницы с валками диаметром от 20 до 26 дюймов, для производства балок и швеллеров меньших размеров, а также других конструкционных профилей. Мельницы для сортового проката с валками диаметром от 16 до 20 дюймов. Мельницы для мелкого сортового проката с отделочными валками диаметром от 8 до 16 дюймов, обычно оснащенные более крупным черновым стендом. Мельницы для прутков и проволоки с отделочными валками диаметром от 8 до 12 дюймов, всегда оснащенные более крупными черновыми стендами. Мельницы для производства обручей и хлопковых вязок, аналогичные мельницам для мелкого сортового проката. Броневые мельницы с валками диаметром от 44 до 50 дюймов и корпусом от 140 до 180 дюймов. Плитные мельницы с валками диаметром от 28 до 44 дюймов. Листовые мельницы с валками диаметром от 20 до 32 дюймов. Универсальные мельницы для производства плит с квадратными кромками или так называемых универсальных плит, а также различных широких фланцевых профилей с помощью системы вертикальных и горизонтальных валков.
Blooming, cogging and slabbing mills, being the preparatory mills to rolling finished rails, shapes or plates, respectively. If reversing, they are from 34 to 48 inches in diameter, and if three high, from 28 to 42 inches in diameter. Billet mills, three high, rolls from 24 to 32 inches in diameter, used for the further reduction of blooms down to 1.5x1.5 inch billets, being the nubpreparatory mills for the bar and rod
Beam mills, three high, rolls from 28 to 36 inches in diameter, for the production of heavy beams and channels 12 inches and over. Rail mills with rolls from 26 to 40 inches in diameter. Shape mills with rolls from 20 to 26 inches in diameter, for smaller sizes of beams and channels and other structural shapes. Merchant bar mills with rolls from 16 to 20 inches in diameter. Small merchant bar mills with finishing rolls from 8 to 16 inches in diameter, generally arranged with a larger size roughing stand. Rod and wire mills with finishing rolls from 8 to 12 inches in diameter, always arranged with larger size roughing stands. Hoop and cotton tie mills, similar to small merchant bar mills. Armour plate mills with rolls from 44 to 50 inches in diameter and 140 to 180 inch body. Plate mills with rolls from 28 to 44 inches in diameter. Sheet mills with rolls from 20 to 32 inches in diameter. Universal mills for the production of square edged or so called universal plates and various wide flanged shapes by a system of vertical and horizontal rolls.
Тандемная мельница
Тандемная мельница – это особый тип современной прокатной мельницы, в которой прокатка осуществляется за один проход. В традиционных прокатных мельницах прокатка выполняется в несколько проходов, но в тандемной мельнице имеется несколько стендов (≥2 стенда), и деформация происходит последовательно. Количество стендов варьируется от 2 до 18. Тандемные мельницы могут быть горячего или холодного проката. Холоднокатаные мельницы могут быть разделены на непрерывные или периодические. Непрерывная мельница оснащена петлевой башней, которая позволяет мельнице продолжать медленно прокатывать ленту в башне, в то время как сварщик ленты соединяет конец текущей катушки с началом следующей. В конце выходного участка мельницы обычно установлена летучая ножница (для резки ленты в месте или вблизи сварного шва), за которой следуют два намотчика; один разгружается, а другой наматывает текущую катушку. Петлевые башни также используются в других установках, таких как линии непрерывного отжига, линии непрерывного электролитического лужения и линии непрерывного цинкования.
Изменения толщины вдоль длины
При горячей прокатке, если температура заготовки неоднородна, деформация материала будет более интенсивной в более нагретых участках и менее интенсивной в более холодных. При достаточно большой разнице температур могут образоваться трещины и надрывы.
Профиль
Профиль формируется измерениями выпуклости и клина. Выпуклость – это разница между толщиной в центре и средней толщиной по краям заготовки. Клин – это разница в толщине между противоположными краями заготовки. Оба параметра могут выражаться как в абсолютных единицах измерения, так и в относительных. Например, можно иметь выпуклость в 2 мил (центр заготовки на 2 мил толще, чем края), или выпуклость в 2% (центр заготовки на 2% толще, чем края). Обычно желательно, чтобы заготовка имела некоторую выпуклость, так как это приводит к её стремлению к центру валка, и, следовательно, обеспечивает более стабильную работу.
Плоскость
Сохранение равномерного зазора между валками затруднено, поскольку валки прогибаются под нагрузкой, необходимой для деформации заготовки. Прогиб приводит к тому, что заготовка становится тоньше по краям и толще в середине. Это можно компенсировать использованием увенчанного валка (параболической формы), однако увенчанный валок компенсирует только один набор условий, а именно материал, температуру и степень деформации. Нахлёст. Этот тип дефекта возникает, когда угол или ребро загибается и прокатывается, но не приваривается к металлу. Он проявляется в виде швов на поверхности металла. Разрез на прокатной линии. Эти дефекты возникают в виде перьевидного нахлёста. Прокат окалины. Возникает, когда окалина прокатывается в металл. Поверхностные дефекты. Это длинные участки неплотно прилегающего металла, которые были прокатаны в поверхность металла. Швы. Это открытые, разрывистые линии, идущие вдоль длины металла, вызванные наличием окалины, а также шероховатостью прохода в черновой обжимной мельнице. Заусенцы. Заметные поверхностные разрывы.
Исправление дефектов поверхности
Многие поверхностные дефекты могут быть удалены с поверхности заготовок до дальнейшей прокатки. Методы удаления дефектов включали ручную обрубку зубилами (18-й и 19-й века); механическую обрубку и шлифовку пневматическими зубилами и шлифовальными машинами; выжигание с помощью кислородно-топливной горелки, давление газа которой сдувает расплавленный металл или шлак; и лазерную обрубку.