Производство катанки

Нефедов А.А., Гетманец В.В.

Металлургиздат, 1963 г.

СТАНЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТАНКИ

История проволочно-прокатного производства

С давних времен изделия из металла круглого и других сечений небольших размеров получали волочением. Отсюда и произошло название проволока. Найденные образцы древней проволоки были плоскими и, вероятно, изготовлялись только ковкой. Когда впервые была получена проволока круглого сечения — неизвестно. Очевидно, ее изготавливали ковкой и последующим волочением. Начиная с XIII в. для производства проволоки употребляли листовое или шинное железо, которое разрезали на полосы, грубо проковывали и затем подвергали многократному волочению до получения нужных размеров.

Впоследствии для выполнения одной из наиболее трудоемких операций — резки листового железа на полосы — были применены специальные установки, которые по конструкции похожи были на некоторые виды дисковых ножниц.

Так как основной операцией при производстве проволоки явилось волочение, это требовало применения железа самого высокого качества, чтобы оно смогло выдержать без разрушения многократную деформацию, которая необходима для получения конечного профиля. Вследствие этого заводы, производившие проволоку, вынуждены были использовать железо самых лучших сортов, какими в то время были русское и шведское.

Низкая производительность, большая трудоемкость основных операций при производстве проволоки, а также необходимость применения самых дорогих сортов железа обусловливали крайне высокую ее стоимость по сравнению с другими изделиями из черных металлов. Поэтому производство проволоки до середины XIX в. развивалось очень медленно [1].

Толчком для резкого расширения производства послужили изобретение в середине XIX в. электрического телеграфа (1844 г.), применение проволочных канатов в морском и горнорудном деле (1840 г.), увеличение спроса на кардные и швейные иглы, гвозди, пружины, проволоку для упаковки и колючую проволоку для ограждений и другие метизные изделия.

Усовершенствование производства проволоки происходило по мере увеличения спроса. Пока прутки (заготовку для проволоки) изготовляли ковкой, они имели относительно малую длину, вследствие чего процесс волочения был малопроизводительным. Для получения прутков большей длины были сделаны попытки получения их прокаткой. Это позволило уменьшить стоимость продукции почти в два раза [1] и направило развитие проволочного производства по новому пути. В этот период и появились первые проволочные станы, которые состояли из четырех, а несколько позже из семи рабочих клетей, расположенных в одну линию. Четырех клетевые станы состояли обычно из двух клетей трио и двух клетей переменное дуо, семиклетевые станы — из одной клети трио и шести клетей переменное дуо.

Процесс получения проволоки состоял из получения пудлингового железа, его уплотнения ковкой, прокатки откованных болванок на четырехклетевом стане на грубую проволоку, которую впоследствии стали называть катанкой.

У первых проволочных станов недостатки линейного расположения рабочих клетей проявлялись более резко по сравнению со станами, прокатывавшими крупные профили. К их числу относились: малая скорость прокатки, не обеспечивавшая сохранения требуемой температуры металла и, как следствие, необходимых поперечных размеров профиля по длине; малая производительность из-за небольшой скорости прокатки на всех клетях стана. Все эти недостатки ограничивали вес мотков проволоки до 9—10 кг.

Устранение указанных недостатков было возможным только при осуществлении такого принципа прокатки, при котором скорость в каждом проходе возрастала бы пропорционально вытяжке. Такое решение вопроса в то время было известно (изобретение Дж. Гацельдина, 1798 г.) и предусматривало для конструкции прокатного стана последовательное расположение клетей.

Однако осуществить такую конструкцию в то время было достаточно трудно, главным образом из-за отсутствия необходимых приводов и слабого развития машиностроения.

Первым шагом на пути дифференциации скоростей прокатки у проволочных станов было отделение обжимной клети от чистовой линии [2].

В 1870 г. [1] были изобретены так называемые английские скорые вальцы (рис. 1). Прокатный стан теперь состоял из восьми пар валков: двух предварительных и шести окончательных, в каждой из которых располагали только по одному калибру. Станины состоят из двух наклонных рам, отлитых в одно целое. Линия прокатки на этом стане образует прямой угол. Такая конструкция прокатных клетей позволяла раскату, вышедшему из калибра одной пары, продолжать движение под нижним валком противолежащей пары. Затем клещами раскат задавали в калибр той клети, которую раскат только что обогнул. Для предотвращения путаницы петель на некотором расстоянии от станин, между клетями были установлены вращающиеся вертикальные железные качушки. Стан оказался довольно сложным в обслуживании и поэтому распространения не получил.

Дальнейшее стремление повысить скорость прокатки привело к созданию вначале трехлинейных, а затем (в 1882 г.) четырехлинейных проволочных станов, названных по имени их изобретателя станами Гаррета. Благодаря ступенчатому расположению клетей на этих станах достигают наиболее благоприятного сочетания скоростей между линиями, что позволяет использовать максимально допустимую скорость в чистовой клети при прокатке каждого размера катанки. Скорость прокатки на чистовых линиях этих станов была доведена до предельно возможной в условиях ручного обслуживания, т. е. до 8,5—9,0 ж/сек, что позволило повысить производительность до 4 т/час.

Производительность проволочных линейных станов была в значительной мере увеличена применением обводных аппаратов. Первые обводные аппараты были предназначены для передачи раскатов квадратного сечения из клети в клеть. Они представляли собой наклонно расположенные полуоткрытые желобы (горизонтальные аппараты). Удачная попытка объединить два желоба для одновременной прокатки двух ниток (1887 г.) позволила увеличить производительность проволочных станов да 9 т/час. При этом, однако, еще труднее стало укладывать петли на плитах Чтобы облегчить эту работу, впереди и сзади промежуточной и чистовой линий установили наклонные плиты, на которых располагались петли раската. В 1908 г. инженер Антон Шепф усовершенствовал вертикальный обводной аппарат и применил его для передачи раскатов квадратного и овального сечений из одного горизонта в другой в черновых клетях трио, в результате чего вскоре была достигнута производительность 15 т/час. Преимуществами станов с линейным расположением клетей по сравнению с непрерывными являются: относительная простота привода, простота устройства стана, малые производственные площади я, следовательно, малые капитальные затраты. К числу их недостатков относится большой штат рабочих высокой квалификации при относительно низкой их производительности. Последний недостаток был в определенной мере устранен увеличением числа одновременно прокатываемых ниток до 4—б, вследствие чего линейные ступенчатые станы некоторое время успешно конкурировали с непрерывными, пока скорость прокатки в последних не превысила 17—18 м/сек. Проволочные станы Гаррета работают и сейчас, хотя их применение в связи с расширяющимся строительством непрерывных станов ограничивается.

Непрерывная прокатка катанки впервые была осуществлена в Англии по предложению директора одного из Манчестерских заводов Джорджа Бедсона (3]. Стан Бедсона был построен в 1862 г. и состоял из шестнадцати рабочих клетей, расположенных последовательно; на нем прокатывали катанку диаметром 4,75 мм из заготовки 34 X 34 X 9000 мм весом 126 кг. Особенностью стана было чередование клетей с горизонтальным и вертикальным расположением валков, что устраняло трудоемкий процесс кантования овальной полосы на 90° между клетями. Первая клеть стана была установлена непосредственно у окна выдачи нагревательной печи; заготовку в валки этой клети подавали вручную. Расстояние между клетями составляло 630 мм. Однако несовершенная валковая арматура того времени не позволяла обеспечить надежную автоматическую передачу раската из клети в клеть. Эту операцию производили также вручную, что не давало возможности воспользоваться главным преимуществом непрерывного стана — высокой скоростью прокатки. Настройка такого стана занимала много времени, а в клетях с вертикальным расположением валков можно было вести прокатку только в одну нитку.

В 1878 г. Чарльз Морган усовершенствовал стан Бедсона и построил непрерывный стан из 16 клетей с горизонтальными валками, оборудованными кантующими проводками. Стан был предназначен для прокатки катанки диаметром 5,25 мм из заготовки 38 X 38 X 9000 мм. Все клети располагали в одной непрерывной группе. На этих станах впервые была осуществлена автоматическая передача полосы из клети в клеть, рабочие клети были оснащены геликоидальными проводками, которые обеспечивали кантовку раскатов квадратного сечения на 45° и раскатов овального сечения на 90°. Применение проводок такого типа позволило в дальнейшем на этих и на других станах подобного типа освоить прокатку в две нитки и повысить скорость в последней клети до 13—15 м]сек.

Для обрезки передних концов полосы применяли паровые- летучие ножницы. Станы были оборудованы моталками, ленточными транспортерами и крюковым конвейерами. Годовая производительность такого стана составляла 75 тыс. т/год.

Станы имели групповой привод от паровых машин; прокатка вначале велась в одну нитку. Настройка стана при этом не вызывала особых затруднений, так как скорость в каждой клети легко можно было регулировать соответствующим подбором диаметров валков. Освоение прокатки в две нитки было связано с рядом трудностей, обусловленных различием условий прокатки для каждой нитки даже в одной клети. Причиной этого являются разная температура полос, неравномерный износ калибров, прогиб валков и т. д., что в конечном счете изменяет соотношение секундных объемов в соседних клетях и не обеспечивает стабильного процесса прокатки одновременно двух ниток. Наличие только групповых приводов вызывало необходимость (с целью сохранения одинаковых условий для обоих ниток) вести прокатку с натяжением между клетями. Несмотря на сложность эксплуатации непрерывных станов, количество их быстро возрастало, гак как обслуживание не требовало содержания высокооплачиваемого штата рабочих.

В дальнейшем (для облегчения настройки и улучшения качества продукции) клети непрерывных станов стали располагать- по группам. Это, в свою очередь, позволило между группами вести прокатку с петлеобразованием, что в некоторой степени компенсировало действие натяжения на каждую нитку и способствовало получению повышенной точности профиля проката по длине полосы. При этом промежуточные группы располагали таким образом, чтобы передачу раскатов от одной к другой осуществлять по обводным аппаратам. Конструктивной особенностью некоторых станов была герметичность моталок и муфельного транспортера, что давало возможность избежать окисления катанки при остывании и, кроме того, подвергать ее частичному отжигу.

Прокатка двух ниток в чистовой группе стана требовала тщательной настройки, вследствие чего точность профиля была невелика. Введение дублированной чистовой группы с разделением

потока металла упростило настройку. Один из первых таких станов имел производительность около 120 тыс. т/год при прокатке катанки диаметром 5 мм из заготовки 44 χ 44 X 9000 мм. весом 135 кг. На этом этапе развития двухниточные непрерывные станы с групповыми приводами достигли максимальной производительности. К числу их основных недостатков относится то, что они не обладают достаточной гибкостью в настройке и возможностью прокатывать разнообразные сечения катанки из исходной заготовки одного или близких размеров, так как константа калибровки — величина постоянная. Эти недостатки были устранены установкой клетей с индивидуальными приводами и регулируемым числом оборотов.

Перед второй мировой войной многие непрерывные проволочные станы устанавливали с индивидуальными приводами валков отдельных клетей (обычно в чистовых группах). Одновременно с этим скорость прокатки в последних клетях была увеличена до 21—23 м}сек. Для рабочих валков чистовых клетей также начали применять подшипники качения или жидкостного трения. Вес бунта катанки при этом увеличился до 200 кг и более. Однако, некоторые зарубежные специалисты [4] считали невозможным прокатывать на непрерывных проволочных станах одновременно более двух ниток. Следует отметить, что такое консервативное мнение в определенной мере задержало развитие непрерывных станов.

Одними из первых четырехниточиых непрерывных проволочных станов были станы, установленные на Магнитогорском металлургическом комбинате и на Макеевском металлургическом заводе им. Кирова.

Общим направлением в развитии непрерывных проволочных станов является повышение скоростей и применение беспрерывной прокатки путем сварки нагретых заготовок в стык.