Описать сущность процесса прокатки и указать область ее применения

Прокатное производство – это третий передел металлургического производства, где слитки или литую заготовку перерабатывают в готовые изделия, т.е. прокат различных форм и размеров. Сущность процесса прокатки состоит в обработке металла давлением для придания ему требуемой формы и размеров, для чего слиток или заготовку пропускают нужное количество раз между вращающимися валками определенного профиля.

Все прокатные изделия можно разделить на ряд основных видов: сортовые профили, лист, трубы и специальные виды проката. К сортовым типам профиля относятся квадрат, круг, уголок, рельсы, двутавры, швеллеры и др. К специальным видам проката относятся шпунты, шары, оси и др.

Длительный период в развитии металлургии прокатный передел считался завершающим в процессе производства. В последнее время все большее распространение получает строительство цехов так называемого четвертого передела: термических, метизных, калибровочных, холодной прокатки, гнутых профилей и других, где совершенствуется форма и физико-химические свойства прокатных изделий, что обеспечивает значительный экономический эффект у потребителей проката [1, 7 и др.].

Прокатные станы отличаются большим разнообразием конструкций и технологических особенностей. Различают станы обжимные (блюминги, слябинги), заготовочные, рельсобалочные, крупно-, средне- и мелкосортные, толстолистовые, тонколистовые, горячей и холодной прокатки, и др. По характеру движения металла в процессе прокатки различают станы реверсивные, полунепрерывные и непрерывные. В последнее время отдается предпочтение непрерывным станам, внедряется новый способ непрерывной прокатки – бесконечная прокатка, когда заготовки сваривают встык в потоке производства и ведут прокатку без перерывов.

Соответственно двум способам разливки стали (в изложницы и непрерывная) существуют две технологические схемы производства металла. По первой схеме слитки в горячем виде подают в отделение нагревательных колодцев блюминга или слябинга. После нагрева их прокатывают в заготовку для последующих станов. По второй схеме литая заготовка с МНЛЗ без прокатки на обжимных станах передается непосредственно на станы горячей прокатки.

Мощность нового металлургического завода или блока ранее определялась единичной мощностью слябинга или блюминга, в соответствии с которой определяли состав других основных цехов и общезаводского хозяйства. С внедрением непрерывной разливки стали однозначного решения по мощности металлургического завода, в зависимости от мощности одного из основных агрегатов, не может быть. В современных условиях в каждом конкретном случае строительства нового завода требуется экономическое обоснование его мощности на основе выбора оптимального состава агрегатов и цехов основных производств.

Теорию прокатного производства полезно рассмотреть на «металле 20 века» – алюминии и его сплавах. Сейчас известно большое количество сплавов, позволяющих прокатывать их в листы и полосы для различных нужд народного хозяйства.

К алюминиевому прокату особенно тонколистовому предъявляются особые требования, как по геометрическим размерам, так и по механическим свойствам.

В зависимости от сплавов, технических условий на готовую продукцию и т.д. технологические процессы изготовления листов могут быть различными. Типичную схему производства листов из алюминиевых сплавов можно разбить на следующие стадии: отливка слитков, подготовительные операции, горячая прокатка, холодная прокатка, термическая обработка, отделочные операции.

Для прокатки листов и плит применяют слитки различной массы от 3 до 8 тонн. Масса слитка и его размеры определяются технологическими свойствами данного металла или сплава при прокатке, размерами и назначением готовых листов, мощностью и размерами основного оборудования и т.д.

Технология получения полос из слитков алюминия и его сплавов состоит из следующих операций [3, 4 и др.]:

– гомогенизирующий отжиг слитков, обеспечивающий снятие внутренних напряжений и уменьшение неоднородности слитка по структуре и химсоставу. Данная операция обеспечивает резкое возрастание пластических характеристик металла. Гомогенизация представляет собой нагрев слитка до температуры на 20–40 град. Ниже температуры плавления низкоплавких эвтектик и выдержку при этом в течение нескольких часов. В данный период растворимые составляющие переходят в твердый раствор и, благодаря диффузии выравнивается содержание легирующих составляющих. Для гомогенизации применяют электрические шахтные печи. Слитки устанавливают вертикально на некотором расстоянии друг от друга или укладывают в стопы с прокладками между слитками.

– Фрезерование поверхностей слитков с целью удаления ликвационных наплывов, включений, плен, шлака, трещин, а также получения сляба с параллельными гранями. Съем металла составляет 5–6 мм на сторону.

– Обезжиривание поверхностей с целью удаления механических загрязнений и наложение алюминиевых планшет.

Нагрев перед прокаткой со строгим температурным контролем, необходимым вследствие высокой чувствительности сплавов к пережогу, заключающемуся в оплавлении низкоплавких эвтектик, расположенных по границам зерен, и вызывающему образование трещин и падение механических свойств.

Горячая прокатка слябов: в первых проходах прокатки сплавов производится плакировка слябов листами из чистого алюминия. Благодаря большому давлению происходит приварка этих листов (планшет), создающая высокопрочную связь алюминиевого слоя с основным металлом. Эта операция предохраняет основной сплав от коррозии.

Прокатка листов и плит осуществляется на цилиндрических валках с гладкой поверхностью. Заготовкой является слиток определенного размера. Прокат, который используется вторично, называется подкат. Валки расположены горизонтально, и приводятся принудительно к вращению ролики, которые приводят слиток к движению называются рольганг.

Металл заготовки захватываются вращающимися валками за счет сил трения, возникающих на контактной поверхности между валком и заготовкой. В очаге деформации осуществляется уменьшение толщины заготовки. Толщина проката определяется зазором между валками, на просвет (распор валков). При уменьшении толщины проката незначительно увеличивается его ширина и интенсивно увеличивается его длина по направлению прокатки. Это происходит по закону наименьшего сопротивления, т. к. длина очага деформации значительно меньше, чем длина валка. Прокатка обычно с толщины заготовки до конечной толщины полосы производится за несколько переходов проката.

Различают горячую и холодную листовые прокатки [2, с. 49].

Горячей прокаткой называют прокатку, которая происходит при температуре выше температуры рекристаллизации:

Тпр=0,4 Тпл;

Тпр=(0,7–0,9) Тпл.

Любая пластическая деформация металла сопровождается упрочнением (деформация упрочнения – нагартовка). Однако если нагреть предварительно заготовку до температуры выше температуры рекристаллизации, то в процессе пластической деформации такой заготовки упрочнение ощущаться практически не будет, т. к. в процессе упрочнения одновременно протекают процессы разупрочнения. Для горячей прокатки температура нагрева заготовки определяется – из диаграммы состояния материала определяют максимально допустимую температуру нагрева Тmax =0,9 Тs, из диаграммы пластичности определяют интервал температур, который соответствует максимальной пластичности для данного сплава

Сочетание степени деформации и температуры могут привести к интенсивному росту зерна. Необходимо установить правильные соотношения между степенью деформации в последнем проходе горячей прокатке и температурой для обеспечения мелкозернистой структуры прокатки. Существует диаграмма рекристаллизации.

Горячая прокатка имеет существенное преимущество перед холодной – меньшая энергоемкость, большие суммарные деформации, не требуется промежуточных отжигов. Однако горячая прокатка ограничена толщиной проката. Минимальная толщина горячих катаных листов ~ 3 – 3,5 мм. Меньшую толщину горячего проката получить нельзя, т. к. из-за интенсивного и неравномерного охлаждения полосы на рольганге невозможно обеспечить равномерное распределение механических свойств по всему объему металла и как следствие заданную разнотолщенность по длине и ширине полосы. Поэтому, алюминиевый прокат меньше 3 мм получают методом холодной прокатки (т.е. от 20–50 градусов).

После обрезки концов полосы и смотки ее в рулон последний подвергается отжигу. Предварительная правка и резка рулонов, где размотанная полоса подвергается правке, обрезки боковых кромок и резке на листы. Сложенные в стопы листы проходят дальнейшие операции в линии отделки (закаленные листы): термическая обработка, сушка, правка, прогладка, растяжка на растяжной машине, обрезка в размер по длине и окончательная правка. После этого листы проходят контроль, маркировку, смазку и упаковку в ящики. Листы являются основным видом полуфабрикатов из алюминия и его сплавов. Благодаря ценному сочетанию механических, физических и технологических свойств алюминий в виде листов из высоколегированных сплавов Амг² являются в настоящее время основными материалами для сварных силовых конструкций в судостроении, транспортном и вагоностроительном машиностроении, химической промышленности.

Для сохранения высокой коррозионной стойкости неотожженные сварные конструкции из сплавов Амг2 не должны нагреваться выше 100° С (при 100° С – не более 100 ч). Высоколегированные Al-Mg сплавы находят применение в новых композиционных материалах, например, в производстве многослойных металлов.