Бескалибровая прокатка профилей

ВВЕДЕНИЕ

 

Повышение эффективности производства металлопродукции - основное направление развития черной металлургии. Оно характерно для всего мирового сообщества в условиях существующей системы рыночных отношений и основано на разработке новых и совершенствовании существующих технологий. Это позволяет получать продукцию высокого качества при одновременном снижении затрат на ее производство.

В прокатном производстве наиболее перспективной является политика совершенствования существующих технологических процессов, не требующая значительных затрат на приобретение дорогостоящего оборудования.

Обычно прокатка заготовок осуществляется в ящичных калибрах, традиционно применяемых в черновых клетях сортовых станов. Эти калибры обладают известными достоинствами и обеспечивают достаточно высокое качество металла. В то же время, ящичные калибры обладают и рядом существенных недостатков, наличие которых вызывает необходимость совершенствования их конструкций, а также поиска новых, альтернативных способов прокатки сортовых заготовок, позволяющих повысить не только качество производимого металла, но и эффективность производства проката в целом.

Одной из таких технологий, предполагающей существенную экономию энергоресурсов, сменного оборудования и трудозатрат, является прокатка заготовки в обжимных и черновых группах клетей на гладкой бочке взамен калиброванных валков (бескалибровая прокатка), применяемая в прокатном производстве ряда стран

Основной проблемой при реализации технологии бескалибровой прокатки (БКП) является обеспечение устойчивости полос в гладких валках при различных режимах этого процесса на станах разного состава оборудования.

Несмотря на существующий опыт применения БКП, ее использование сдерживается отсутствуем единого мнения о выборе технологических режимов прокатки, обеспечивающих устойчивость полосы в очаге деформации. Кроме того, отсутствие исчерпывающей информации о методике расчета и проектирования проводковой арматуры, необходимой для реализации этой технологии, также не позволяет адаптировать ее к условиям действующих предприятий.

Проведение исследований, направленных на разработку режимов обжатий, обеспечивающих устойчивость полосы, и принципов конструирования надежной валковой арматуры для устойчивого осуществления процесса БКП, является весьма важным и актуальным для сортового производства.

Поэтому целью данной работы является не только изучение особенностей бескалибровой прокатки, но и практический расчет  режима обжатий и показателя уширения в условиях бескалибровой прокатки для повышения эффективности производства сортового проката.

 

 

1. АНАЛИЗ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПРОКАТКИ СИСТЕМ КАЛИБРОВ

 

Системы калибров можно условно подразделять на два вида: для получения профилей сортовой стали простой формы поперечного сечения (кругов, квадратов, полос и т.д.) и фасонных профилей сложной формы поперечного сечения.

Различают системы вытяжных калибров, применяющихся для получения готовой продукции сортовой стали простой формы (кругов, квадратов, прямоугольников и т.д.) или заготовок простой формы для дальнейшей прокатки из них профилей фасонной стали.

Системы калибров для прокатки сортовой стали представляют собой однотипные, периодически повторяющиеся в определенной последовательности, калибры простой формы. Как правило, это системы вытяжных калибров [15, 18].

К вытяжным системам калибров относят ящичные - сочетание прямоугольных и квадратных калибров, врезанных в валки плашмя. Иногда вместо прямоугольных калибров используют гладкую бочку валков. Задача раската в последующий калибр делается с предварительной кантовкой его на 900 (рис.1, а). При наличии клетей с вертикальными валками - без кантовки. Основные преимущества этой системы: малый врез в валки, следовательно, небольшое ослабление прочности валков; равномерная деформация раската по ширине; хорошее удаление окалины; возможность назначать в прямоугольных калибрах по несколько  пропусков, изменяя положение валков; устойчивое положение раската на рольганге при транспортировке и передаче из калибра в калибр.

К недостаткам системы прямоугольных (ящичных) калибров относят: небольшие вытяжки , невозможность получать раскаты правильной геометрической формы из-за выпусков калибров (10-25%). В связи с тем, что при прокатке по этой системе калибров можно получать раскаты квадратного сечения через один калибр, эту систему применяют на обжимных и заготовочных станах, а также в обжимных и черновых клетях сортовых станов для получения заготовок крупных размеров, равновеликих стороне квадрата С >(80-100)мм.

Система ромб - квадрат - последовательное чередование ромбических и квадратных калибров, врезанных в валки по диагонали, требующих кантовки раската на 900 и удержания его по диагонали при задаче в каждый последующий калибр (на станах с линейным расположением рабочих клетей) (рис.1, б).

Рисунок 1 – Системы вытяжных калибров: а - ящичных; б – ромб-квадрат, в – овал-квадрат; г – овал-ребровой овал [15, 18]. 

На непрерывно-заготовочных станах имеющих в своем составе клети с вертикальными валками, ромбические калибры врезают в валки вертикальных клетей, и нет необходимости кантовать раскаты. Основные преимущества этой системы: получение квадратов правильной геометрической формы с острыми ребрами, всестороннее обжатие в калибрах, хорошая устойчивость раскатов в калибрах, возможность получения квадратов разного сечения через один калибр с хорошей чистотой поверхности, значительно большая вытяжка ( ) по сравнению с ящичными калибрами. Недостатками этой системы являются: врез калибров в валки по диагонали, что увеличивает глубину вреза в 1.41 раза по сравнению с равновеликими по площади ящичными калибрами и ослабляет прочность валков; вследствие обжатия в двух взаимно перпендикулярных направлениях острые углы  раската не обновляются и быстро охлаждаются, что увеличивает вероятность образования трещин, особенно при прокатке малопластичных сталей. Эту систему применяют на станах всех типов: на мелко- и среднесортных- для получения сортовых квадратов; в черновых пропусках сортовых станов и чистовых группах заготовочных станов- для получения квадратной заготовки со стороной С=60-120мм.

Система овал - квадрат – сочетание овальных и квадратных калибров (рис.1, в), врезанных по диагонали с кантовкой на 900 и удержанием овального раската при задаче в квадратные диагональные калибры и кантовкой квадратного раската на 450 при задаче в овальные калибры. По этой системе получают наибольшие вытяжки, .

При поочередной кантовке раскатов на 900 и на 450 металл обжимается в четырех направлениях (в отличие от прокатки по ящичной или ромб - квадратной системам), а углы раската систематически обновляются, благодаря чему улучшается проработка металла, обеспечивается равномерное охлаждение раската по сечению, что исключает образование трещин. К недостаткам системы калибров овал - квадрат относят значительную неравномерность обжатия раската по ширине и неравномерность распределения деформации между овальными и квадратными калибрами, вследствие чего есть вероятность получения складок при обжатии квадратного раската в овальном калибре. Эту систему калибров применяют на среднесортных, мелкосортных и проволочных станах [5, 6].

Система овал – ребровый овал (рис.1, в) впервые была применена на непрерывном мелкосортном стане Макеевского металлургического завода. Ребровые овалы применяют с соотношением диагоналей h/b=1,1…1,4, а отношение осей овала – b/h=2…3. При этом, чем больше размеры ребрового овала, тем меньше отношение h/b. Эта система калибровки обеспечивает меньшую неравномерность деформации по ширине калибра, сравнительно небольшое различие в величинах коэффициентов вытяжек в овальном калибре и ребровом овале, а следовательно, и высокое качество полосы. Обычно эту систему применяют в чистовых группах непрерывных сортовых станов. На непрерывных станах ребровые овалы врезают в горизонтальные валки, а однорадиусные – в вертикальные. Эта система обладает следующими преимуществами:

• надежный захват раската валками на больших скоростях;

• самоцентрирование ребрового овала в овале, что позволяет применять простую конструкцию валковой арматуры;

• равномерность деформации по ширине полосы, что благоприятно сказывается на качестве поверхности готового профиля;

• хорошее удаление окалины с поверхности раската;

• отсутствие кантовки между клетями, что обеспечивает устойчивый режим прокатки, упрощается проводковая арматура и устраняется застревание прокатываемой полосы.

Универсальная система калибровки (рис.2). Эту систему калибровки используют при прокатке качественных сталей на линейных сортовых станах. Универсальная система калибровок включает в себя следующие калибры: квадрат, полоса, ребро, овал, круг. Преимущества системы:

• возможность изменения зазора между валками и получение круглых профилей различного диаметра из овалов различного размера;

• в калибрах создается различное уширение, в результате чего исключается возможность получения закатов;

• окалина хорошо счищается с боковых поверхностей благодаря большим зазорам в калибрах (полоса, ребро);

• обеспечивается хорошая поверхность, так как раскат имеет выпуклые грани;

• упрощается монтаж калибров на валках и значительно сокращается парк валков;

• сокращаются простои для перевалок валков, что имеет значение при прокатке профилей небольшими партиями.

Следует, однако, отметить, что на мелкосортных станах, когда прокатывают профиль одного размера большим тоннажем, преимущества универсальной калибровки не появляются, так как перевалку приходится производить не из-за перемены сорта, а для замены изношенных валков.

Необходимо также иметь в виду, что при значительном изменении высоты предчистового овала последний может получится настолько тупым, что в чистовом калибре могут образовываться складки и морщины на поверхности профиля.

Коэффициенты вытяжек в этой системе небольшие: гладкая бочка – μ=1,1…1,2; ступенька – μ= 1,2…1,25. Применение небольших вытяжек обеспечивает сохранение целостности малопластичного материала при прокатке. В этой системе, изменяя высоту калибров, прокатывают разные, но близкие по размерам, круглые профили.

Рис. 3. Универсальная  система калибровки валков:

1-гладкая бочка; 2-ступенька; 3-овал; 4-круг.

 

В задачу рациональной калибровки любого профиля входит обеспечение минимального парка валков и сбережение энергоресурсов.

Для уменьшения парка валков, универсальности расчета калибровки и расточки валков процесс прокатки любого профиля подразделяют на два этапа: на первом этапе – получение подката из заготовки в черновых и подготовительных клетях, а на втором – получение из этого подката готового профиля в чистовых группах клетей. Кроме того, как правило, весь сортамент стана подразделяют на отдельные группы профилей. В каждую группу включают профили, близкие по форме и площади поперечного сечения. Каждую группу профилей прокатывают из исходной заготовки определенного сечения и таким образом для всего сортамента стана предусматривают ограниченное количество исходных заготовок и получение из них ограниченного количества подкатов для чистовых линий или групп клетей. Такое разделение и построение схем калибровки валков наилучшим образом отвечает требованиям технологии прокатки на мелкосортных станах и в меньшей степени – на среднесортных.

Таким образом, если рассматривать прокатку профилей одной группы в общей схеме (рис.3), то последовательность размещения калибров по клетям будет следующей: в начале ряд общих калибров для всей группы клетей, затем общие калибры для отдельных групп и только в конце общей схемы располагают калибры конкретного профиля [5, 6].

Рисунок 2  Принципиальная схема калибровки валков непрерывного мелкосортного стана при прокатке сортовой стали из одной заготовки:

1-9-общие черновые и подготовительные калибры;

10-15-предчистовые и чистовые  калибры для получения заданного профиля [15, 18]

Наибольшая универсальность калибровок на узкоспециализированных станах, наименьшая – на станах, производящих профили более широкого сортамента и размера, например, крупносортных.

Калибры различают по форме, конструкции и назначению. По форме калибры могут быть: прямоугольные (ящичные), квадратные, ромбические, овальные, круглые, шести- и многоугольные, фасонные — сложной конфигурации (двутавровые балки, швеллеры, рельсы, сталь угловая и т.д.) [5, 6, 31].

В классификации калибров по форме необходимо особо отметить характеристику, весьма важную при калибровке прокатных валков и ведении технологического процесса прокатки — наличие осей симметрии в калибре [31].

В соответствии с этой характеристикой различают калибры:

1)  имеющие две оси  симметрии — вертикальную и  горизонтальную — калибры с  полной симметрией;

2) имеющие одну ось  симметрии — с неполной или  одноосной симметрией;

3) асимметричные.

К первой группе относят простейшие калибры: ящичные, овальные, круглые и др.; ко второй — фасонные калибры типа двутавровых балок, швеллеров, угловой стали и др.; третья группа калибров включает в себя сложные профили типа автоободов, лемех, тракторный башмак, рельсовые крепления и т. д.

По конструкции калибры подразделяют на открытые и закрытые. Если линия разъема валков находится в пределах контура (периметра) калибра, его называют открытым калибром.  Если же линия разъема валков находится за пределами очертания (периметра калибра), то это закрытый калибр. 

Обычно открытыми калибрами являются простые калибры с полной симметрией, закрытыми — при прокатке фасонных профилей.

По назначению калибры подразделяют на обжимные или вытяжные, черновые или подготовительные, предотделочные или предчистовые, отделочные или чистовые.

Обжимные калибры предназначены для уменьшения площади поперечного сечения исходной заготовки до площади, необходимой перед первым профильным калибром. В черновых калибрах осуществляется приближение сечения исходной заготовки к конфигурации готового профиля. В предчистовых калибрах сечение полосы максимально приближается к чистовому профилю или принимает форму ту же, что и в чистовом калибре. Если для фасонных профилей (двутавровая балка, швеллер, рельс и др.) предчистовой калибр имеет четкое очертание, то для простых симметричных профилей (сталь круглая, квадратная, шестигранная и др.) предчистовой калибр может значительно отличаться от чистового (соответственно — овал, ромб, шестиугольник) [31].