» » Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей
06.02.2015

Приоритет в разработке теории, технологии, оборудования и реализации в промышленных условиях процесса прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей путем совмещения процессов прокатки и разрыва раскатов непосредственно в прокатных валках принадлежит ученым ДонНТУ. Приоритет подтверждается более чем 200 авторскими свидетельствами и патентами, материалы разработок опубликованы в двух монографиях и в более 150 печатных работах.
Многоручьевая прокатка-разделение включает формирование из заготовки профилей, соединенных перемычкой в калибрах, состоящих из двух и более расположенных рядом ручьев, и их последующее разделение либо в потоке прокатного стана, либо при отделке холодной продукции. Второй вариант трудоемок, требует создания специального участка с оснащением специального оборудования и обусловливает дополнительный расход металла. Первый вариант нашел практическое применение.
Процесс прокатки-разделения возник с целью увеличения производительности прокатного стана, снижения энергозатрат на производство проката, а следовательно, и себестоимости продукции без значительных капитальных затрат. Применяемый за рубежом процесс прокатки-разделения получил название «слиттинг-процесс». Он разработан фирмой «Стил Интернэшнл» (Канада). Процесс усовершенствован фирмой «Ниппон Кокан». «Слиттинг-процесс» состоит двух отличных от обычного процесса операций: подготовка раската к разделению и само разделение.
http://neva-zmk.ru/
По технологии «слиттинг-процесс» продольное разделение раската, состоящего из двух круглых профилей, соединенных тонкой перемычкой (рис. 104), может осуществляться разрывом или разрезанием перемычки специальным устройством, устанавливаемым на выходе раската из валков (на рис. 104 - разделительные конические ролики).
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Продольное разделение раската происходит под действием выталкивающей силы, создаваемой прокатными валками. После разделения производится прокатка круглых раскатов в готовые профили за два пропуска. Продольное разделение трехниточного раската может осуществляться путем одновременного взаимного перемещения крайних профилей в поперечном направлении или поочередным отделением ниток трехниточного раската.
На рис. 105 показаны разделительные устройства различной конструкции Они состоят из коробки, в боковых стенках которой на подшипниках качения размещены оси холостых разделяющих роликов. Для последовательного разделения четырехниточного раската используют устройство, содержащее три пары клиновидных роликов (см. рис. 105). Эту технологию используют на заводах фирмы «Лэйк Онтарио Стил» (Канада), «Ширнес Стил» (Великобритания), «Шапарол Стил» и «Норс Стар Стил» (США), «Тосин Сэйко» (Япония) и др.
Технология, основанная на «слиттинг-процессе», входила в комплект поставки при строительстве стана 320/150 Белорусского металлургического завода в г.Жлобин. Технология предусматривает производство арматурных профилей №№10-16 из непрерывнолитых заготовок сечением 125x125 мм.
Вообще, при реализации «слиттинг-процесса» громадное значение имеют как точная задача раската в валки и удержание его при двух или многониточном раскате, так и положение выводной разделительной проводки. Фирмой «Моргардсхаммер» разработаны специальные роликовые проводки (двух или четырехроликовые), ролики которых установлены на держателях.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

В основе другой схемы процесса многоручьевой прокатки-разделения лежит принцип продольного разделения раската, состоящего из двух плоских овальных профилей, соединенных тонкой перемычкой, коническими (рис. 106 а) или профильными роликами (рис. 106 б) за счет неравномерного обжатия раската по ширине. После продольного разделения овальные полосы прокатывают в готовый профиль. Этому способу двухручьевой прокатки-разделения присущи те же недостатки, что и «слиттинг-процессу».
Частично вышеперечисленные недостатки при продольном разделении раската устраняют с помощью устройства, эксплуатируемого фирмой «Кобе Сэйкосе» на заводе в г. Кобе (Япония), показанное на рис. 107. Роликовое делительное устройство для продольной резки проката на две части установлено на выходе из чистовой группы клетей и используется в производстве арматурных профилей №№10-6. Вначале дисковыми ножами раскат надрезают по толщине с формированием тонкой перемычки между правой и левой частями. Далее перемычку разрушают продольным изгибом правой части раската относительно его левой части с помощью двух пар разнесенных по высоте делительных роликов и двух пар тянущих роликов, создающих напряжение в перемычке.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Продольное разделение многониточного раската может быть осуществлено разрезанием перемычек дисковыми ножницами. Для разведения разделенных частей раската за ножницами следует устанавливать специальное устройство. Однако отсутствие самоцентрирования раската по отношению к острым гребням ножниц может способствовать асимметричному разделению раската с усложнением последующей пониточной прокатки разделенных полос. Кроме того, в местах разделения профилей возникают заусенцы, что может привести к появлению дефекта «закат».
На основе сделанного анализа авторы работы пришли к выводу, что основными недостатками технологии «слиттинг-процесс» являются:
- наличие шейки разрыва перемычки в месте разделения раската может привести к закату;
- необходимость формирования на многониточном раскате очень тонкой перемычки (около 0,8 мм), что снижает срок службы валков из-за низкой стойкости формирующего калибра;
- необходимость использования разделяющего устройства сложной конструкции с низкой эксплуатационной стойкостью;
- низкая продольная устойчивость раската, особенно при прокатке кругов малых размеров (06-10 мм);
- сложность регулировки вводной привалковой арматуры.
Несмотря на это, в мире наблюдается постоянный интерес к технологии многоручьевой прокатки-разделения, как в условиях обжимных, так мелкосортных и мелкосортно-проволочных станов. Однако, на момент начала работ в этом направлении в ДПИ (ДонНТУ), в литературе практически отсутствовали сведения о теоретическом анализе технологии, что свидетельствовало о недостаточной изученности процесса прокатки-разделения. Это затрудняло проектирование технологии на конкретных станах, а в ряде случаев и выбор механического оборудования для реализации процесса прокатки-разделения.
Процесс прокатки-разделения существенно отличается от традиционного процесса прокатки как при подготовке раската к разделению (характеризуется значительной высотной неравномерностью деформации по ширине раската), так и продольному разделению раската различными способами.
Выполненный анализ существующих методов продольного разделения многониточного раската в горячем состоянии в прокатных валках показал, что их можно свести к одному из следующих способов разрушения перемычки: срез, разрыв и разрезание. В ДонНТУ разработаны различные комбинации и модификации способов, применение которых вызвано их назначением, конкретными условиями работы прокатного стана, типом стана, его сортаментом и т.д. Ниже рассмотрены основные способы продольного разделения многониточного раската, наиболее рациональные к использованию в условиях реверсивной, последовательной или непрерывной прокатки, показаны их преимущества и недостатки.
Наиболее качественное состояние поверхности заготовок в месте разделения обеспечивают способы продольного разделения раската путем создания в зоне перемычки напряжений сдвига (разделение раската срезом перемычек).
Сущность этих способов состоит в том, что многониточный раскат формируют состоящим из разноосных заготовок, соединенных между собой вдоль одной из граней «фиктивной» перемычкой (рис. 108). Срез перемычек осуществляют поворотом заготовок вокруг продольных осей (рис. 109) или взаимным смещением заготовок навстречу друг другу вдоль граней, совмещенных в плоскости (рис. 110). Под «фиктивной» подразумевается перемычка, имеющая толщину hn и практически не имеющая ширины А (см. рис. 108).
В случае разделения раската поворотом прямоугольных заготовок вокруг продольных осей, их соединяют по узким граням А (см. рис. 108 а), а при разделении раската взаимным смещением заготовок - по широким граням В (см. рис. 108 б). При формировании многониточного раската толщину «фиктивной» перемычки выполняют равной 10-30% от ширины соединяемых граней заготовок [hn = (0,1-0,3)А или hn = (0,1-0,3)В], а ширину перемычки - не более 20% от ее толщины Δ < 0,2hп. В этом случае соединяемые грани смежных заготовок находятся практически в одной плоскости.
Для осуществления продольного разделения раската путем поворота заготовок вокруг продольных осей многониточный раскат формируют состоящим из прямоугольных заготовок, соединенных между собой у вершин «фиктивной» перемычкой (см. рис. 108 а). Крутящий момент Mкр, обеспечивающий поворот заготовок, создают путем приложения к расположенным по диагонали вершинам заготовок усилий со стороны прокатных валков (см. рис. 110).
Разделение многониточного раската может осуществляться на гладкой цилиндрической (см._рис. 109 а) или конической бочке валков, либо в многоручьевых калибрах (см. рис. 109 б, в, г). В последнем случае одновременно с разделением прямоугольных заготовок, их обжимают в полосы с овальным, шестиугольным или ромбическим сечением. Возможны и другие варианты формирования и продольного разделения многониточного раската этим методом.
В работе представлена теория процесса и уравнения регрессии для определения предельной относительной толщины перемычки и смятия вершин прямоугольной заготовки при разделении двухниточного раската.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Схема прокатки сортовых профилей с использованием технологии двухручьевой прокатки с продольным разделением раската путем скручивания прямоугольных профилей вокруг продольных осей показана на рис. 111.
По сравнению с известными аналогами, разработанный блок способов имеет следующие преимущества: возможность продольного разделения раската в прокатных валках с одновременной деформацией разделенных профилей; качественное разделение раската путем создания в зоне разделения напряжений сдвига; незначительный врез в валки ручьев формирующего и разделяющего калибров; возможность продольного разделения многониточного раската с неограниченным числом совмещенных профилей; возможность осуществления скручивания разделенных профилей вокруг продольных осей при выходе из валков и контроля над ним.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Для осуществления продольного разделения раската срезом перемычек путем взаимного смещения заготовок многониточный раскат обычно формируют состоящим из прямоугольных заготовок, соединенных «фиктивной» перемычкой вдоль широких граней (рис. 108 6). Некоторые варианты совмещения прямоугольных заготовок в многониточном раскате показаны на рис. 110. При продольном разделении двухниточного раската (рис. 110 б) его поворачивают вокруг продольной оси до положения, при котором совпадающие широкие грани заготовок становятся перпендикулярными продольной оси валков, а разделение производят в калибре со смещенными вдоль бочки валков прямоугольными ручьями.
Продольное разделение многониточного раската можно обеспечить путем создания в зоне перемычки растягивающих напряжений за счет взаимного смещения соединенных заготовок под действием осевых сил, создаваемых прокаткой раската в калибрах с увеличенным расстоянием между осями ручьев, в клиновидных гребнях валов, поворотом разноосных профилей вокруг их продольных осей в противоположные стороны или изгибом соединенных заготовок в поперечном направлении при выходе из валков путем ребрового обжатия многониточного раската (разделение раската разрывом перемычки).
Далее рассмотрен наиболее простой в реализации первый способ.
В многоручьевых калибрах формируют раскат, состоящий из двух или трех заготовок ромбической, овальной, шестиугольной или круглой формы поперечного сечения, соединенных между собой перемычками вдоль малых диагоналей. Разделение многониточного раската осуществляют путем его прокатки в многоручьевом калибре с увеличенным по сравнению с предыдущим калибром расстоянием между осями ручьев или с помощью неприводных роликов, имеющих угол при вершине близкий к 90°.
Анализ схемы продольного разделения сочлененных заготовок путем разрыва перемычки поперечными растягивающими силами показывает, что весь процесс можно условно разделить на три стадии. Первоначально, по мере заполнения очага деформации, нарастают горизонтальные составляющие силы прокатки и происходит одностороннее смятие вершин заготовок (рис. 112 а). После достижения растягивающими силами критической величины, вызывающей пластическое течение металла в зоне перемычки, происходит поперечное перемещение заготовок и растяжение перемычки вплоть до ее разрыва. Заключительная стадия процесса включает деформацию разделенных заготовок в калибрах и здесь не рассматривается. При захвате раската валками в местах контакта возникают нормальные силы, под действием которых осуществляется пластическая деформация вершин заготовок.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Для обеспечения стабильного разделения раската разрывом перемычки величина смещения заготовок должна быть больше 1,25 hп. С целью улучшения качества мест разделения заготовок целесообразно продольное разделение двухниточного раската осуществлять при максимально возможной толщине перемычки (hп).
Установлено, что сила деформирования составляет 85-90% от суммарной силы прокатки. При прокатке разделенных заготовок наблюдается нарастание силы прокатки по мере заполнения очага деформации с постоянной скоростью.
Процесс прокатки-разделения протекает следующим образом.
Первоначально деформация локализуется в малых областях вершин заготовок. По мере прохождения переднего конца раската по длине очага деформации начинается растяжение перемычки. Окончательное разрушение перемычки происходит после достижения предельного поперечного перемещения заготовок. После разделения переднего торца раската разделенные заготовки изгибаются в горизонтальной плоскости, что приводит к дополнительным растягивающим напряжениям в зоне перемычки. Разрушение перемычки после начала стационарного процесса прокатки происходит за пределами геометрического очага деформации на его входе.
Продольное разделение многониточного раската может осуществляться с одновременным обжатием разделенных заготовок или без обжатия. Преимущества разработанного способа по сравнению с известными аналогами: возможность продольного разделения раската в прокатных валках с одновременной деформацией разделенных заготовок; гарантированный прямолинейный выход разделенных заготовок из валков; качественное разделение раската в случае предварительной локальной поперечной деформации металла в районе перемычки; симметричная форма двухручьевых калибров и отсутствие осевых усилий, действующих на валки, упрощающих настройку валков; надежное самоцентрирование раската в прокатных валках.
Продольное разделение многониточного раската контролируемым разрывом осуществляется путем создания в зоне перемычки растягивающих напряжений под действием осевых сил со стороны боковых поверхностей гребней многоручьевых калибров, внедряемых в металл (рис. 113).
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Путем изменения толщины перемычки задаваемого раската и зазора между гребнями валков разделяющего калибра можно менять радиус кривизны передних концов разделенных профилей на выходе из валков и на условия разделения раската. Отсутствие в месте разделения профилей шейки разрыва перемычки позволяет получить качественную поверхность готового профиля при минимальном числе последующих проходов с обжатием мест разделения. В связи с этим способ продольного разделения раската контролируемым разрывом рекомендован к использованию в чистовых группах клетей мелкосортных станов. В отличие от способа продольного разделения раската разрывом перемычки углы наклона внутренних граней двухниточного раската и гребней разделяющего калибра выполняют равными или близкими друг другу. В связи с этим, в момент захвата раската валками и в период установившегося процесса прокатки контакт металла и валков осуществляется по всей ширине внутренних гребней раската, что способствует увеличению ресурса взаимного перемещения заготовок.
В работе представлены уравнения регрессии для основных параметров разработанного способа разделения раскатов.
Принципиальная схема реализации разработанной технологии двухручьевой прокатки-разделения с продольным разделением раската контролируемым разрывом перемычки в условиях мелкосортного стана показана на рис. 114. Исходной заготовкой может служить промежуточный раскат прямоугольного или квадратного сечения. Из этой заготовки в двухручьевом калибре формируют двухниточный раскат, представляющий собой два квадратных профиля, соединенных между собой перемычкой. Наличие относительно большого зазора между гребнями валков формирующего калибра обеспечивает самоцентрирование задаваемой прямоугольной заготовки боковыми стенками калибра.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Продольное разделение раската осуществляют в симметричном разделяющем калибре, обеспечивающем самоцентрирование двухниточного раската гребнями валков. Разделенные квадратные заготовки после разведения в горизонтальной или вертикальной плоскости с помощью выводной двухканальной проводки пониточно прокатывают в готовый профиль.
Возможные схемы реализации технологии двухручьевой прокатки-разделения с контролируемым разрывом перемычки в чистовых группах клетей современных мелкосортных станов приведены на рис. 115.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

На рис. 115а и 115б показаны схемы двухручьевой прокатки-разделения для мелкосортных станов, включающих три группы клетей, в том числе чистовую группу из шести клетей с чередующимися вертикальными и горизонтальными валками. Конструкция клетей этих станов позволяет производить замену вертикальных клетей на горизонтальные, при наличии таковых. В противном случае на этих станах можно применить схему двухручьевой прокатки-разделения, показанную на рис. 115 е (последние шесть клетей). На рис. 115 в—115 е показаны схемы двухручьевой прокатки-разделения в условиях мелкосортных станов, включающих две группы клетей, в том числе чистовую группу из восьми клетей с чередующимися вертикальными и горизонтальными клетями. Конструкция вертикальных клетей этих станов не позволяет произвести их замену на горизонтальные.
При реализации двухручьевой прокатки-разделения в трех традиционно установленных горизонтальных клетях (рис. 115в) на место неиспользуемых вертикальных клетей устанавливаются транспортные желоба
С целью более компактного расположения вспомогательного оборудования продольное разделение раската может осуществляться в валках вертикальной клети (см. рис. 115 г) или двухниточная прокатка разделенных заготовок производится в предчистовой вертикальной клети на двух горизонтальных уровнях (рис. 115 д).
На рис. 115 е показана схема реализации двухручьевой прокатки-разделения с использованием всех клетей чистовой группы стана для прокатки мелких профилей, например, арматурного профиля №8, или при увеличении сечения исходной заготовки.
Разработанный способ обладает следующими преимуществами перед известными аналогами: симметричная форма двухручьевых калибров и отсутствие осевых сил, упрощающие настройку валков; широкий диапазон толщины перемычки при продольном разделении раската, способствующий уменьшению числа пропусков и увеличению срока службы валков; отсутствие шейки разрыва в месте разделения заготовок; надежное самоцентрирование раската в двухручьевом калибре; относительно неглубокий врез ручьев многоручьевого калибра в валки, способствующий снижению их расхода; относительно большой угол (преимущественно 90°) у вершин гребней двухручьевого калибра, повышающий срок службы валков; возможность контроля (управления) процессом разделения раската.
Исходя из анализа известных способов продольного разделения раската, следует заключить, что разработанный способ продольного разделения раската контролируемым разрывом перемычки является наиболее приемлемым для реализации двухручьевой прокатки-разделения в условиях чистовых групп клетей мелкосортных станов.
На рис.116 показаны возможные схемы реализации разработанных способов продольного разделения двухниточного раската на сортовых станах различного типа: непрерывных, полунепрерывных и линейных.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Таким образом, представленные материалы позволяют сделать вывод о том, что проанализированы, разработаны, теоретически и экспериментально исследованы следующие способы продольного разделения многониточных раскатов в прокатных валках: срезом перемычек путем поворота сочлененных разноосных профилей вокруг продольных осей или их взаимным смещением вдоль совмещенных граней; разрывом перемычек путем прокатки в калибрах с увеличенным расстоянием между осями ручьев по сравнению с расстоянием между осями разделяемых профилей; контролируемым разрывом. Оценены преимущества разработанных способов по сравнению с известными аналогами.
При решении задач по определению формоизменения металла и энергосиловых параметров прокатки необходимо знать характер течения металла в очаге деформации. В ходе выполнения работ характер поперечной и высотной деформации в поперечных сечениях образцов исследовали с помощью составной координатной решетки с использованием составных слоистых образцов оригинальной конструкции. Информацию одновременно о трех взаимно перпендикулярных составляющих перемещения металла получали с использованием координатной сетки, образованной в наклоненной к продольной оси составного образца плоскости сечения.
После прокатки недеформированную часть образца и отпечаток очага деформации разрезали по длине дисковой фрезой на несколько поперечных темплетов. Полученные темплеты фотографировали и в увеличенном масштабе проецировали на миллиметровую бумагу. Накладывая семейства вертикальных и горизонтальных линий склейки одной плоскости поперечных сечений образцов, получали координатную сетку. Накладывая деформированную сетку (после прокатки) на недеформированную (до прокатки), получали перемещения узлов сетки в процессе деформации. Откладывая вертикальные и горизонтальные проекции перемещения узлов сетки от их начального положения, строили эпюры вертикальных и горизонтальных составляющих перемещений частиц металла (рис. 117).
На основании полученных эпюр перемещений строили поля вертикальных и поперечных составляющих перемещений частиц металла в поперечных сечениях полосы (рис. 118).
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Относительная максимальная погрешность построения полей перемещений не превышала 15%, что вполне допустимо для их использования с целью анализа характера течения металла.
На рис. 119 показаны схемы деформации образцов в двухручьевом калибре с ручьями различной формы. Исследование течения металла при прокатке в двухручьевом калибре с шестиугольными ручьями (см. рис. 119 а) проведено на слоистых прямоугольных образцах сечением HxB = 16x39 мм.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

На рис. 120 и 121 приведены результаты экспериментального исследования течения и деформации металла в трех поперечных сечениях очага деформации: а-x/l=0,15; б - x/L -0,57; в-x/L=10 (х- текущее значение длины очага деформации от его входа; L - длина очага деформации).
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Анализ данных, представленных на рис. 120 и 121 показал, что характер поперечной деформации металла в двухручьевом калибре с шестиугольными ручьями определяется результатом взаимодействия более обжимаемых участков металла (в центральной части под гребнем и у кромок под наклонными стенками калибра) и менее обжимаемых участков, расположенных между более обжимаемыми. Более обжимаемые участки характеризуются поперечным растяжением металла, а менее обжимаемые (необжимаемые) участки - поперечным сжатием металла. На эпюрах поперечных перемещений границы этих участков совпадают с экстремумами линий эпюр. В начале очага деформации имеет место область отрицательных перемещений, противоположных направлению развития уширения, ограниченная линиями нулевых поперечных перемещений l-l и d-d и развитая по всей высоте раската. У выхода из очага деформации эта область выклинивается в небольшую приконтактную зону, ограниченную линией нулевых перемещений l-d.
Из анализа результатов исследования кинематики течения металла можно предположить, что в поперечном сечении очага деформации имеют место схемы главных деформаций, представленные на рис. 122.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

В объеме всего очага деформации в продольном направлении металл подвержен деформации растяжения. На выходе из очага деформации (см. рис. 122 6) весь объем металла в вертикальном направлении испытывает деформацию сжатия. В поперечном направлении на более обжимаемых участках (olmp, cdfe, рис. 122) имеет место деформация растяжения, а на менее обжимаемых участках (lefm) - деформация сжатия. На входе в очаг деформации (см. рис. 122 а), в отличие от предыдущего, металл в периферийных зонах необжимаемых участков (el, mf) в вертикальном направлении практически не подвержен деформации.
Деформацию прямоугольных образцов сечением HxB=19x30 мм производили в двухручьевом калибре с диагональными квадратными ручьями (см. рис. 119 б).
Образцы для исследования течения металла выполнены в виде двух брусьев, состоящих из пластин с их взаимным смещением относительно друг друга по длине образца. Получены поля перемещения металла и деформации ячеек. По форме графики аналогичны рис. 120 и 121.
На основании анализа результатов выполненного исследования течения металла установлено, что во всем объеме очага деформации металл подвержен высотной деформации сжатия и продольной деформации растяжения. В центральных областях ручьев калибра металл подвержен поперечной деформаций сжатия, а в районе перемычки и у боковых поверхностей полосы металл подвержен поперечной деформации растяжения. Зоны металла у вершин ручьев калибров являются областями затрудненной высотной деформации.
Исследована пластическая деформация металла при прокатке двухниточного раската, состоящего из круглых профилей, соединенных перемычкой, в двухручьевом калибре с прямоугольными ручьями, врезанными на диагональ (см. рис. 119 в). Образцы состояли из пластин толщиной 2 мм и имели форму двух кругов, соединенных перемычкой и смещенных относительно горизонтальной оси на 2 мм. Для исследования были отобраны темплеты на расстояниях: а - x/l=0,033; б - x/L = 0,45; в - x/L=I от начала очага деформации.
В результате исследований установлено, что максимальная высотная деформация наблюдается в центральной части ручьев калибра и уменьшается в направлении перемычки и боковых частей профилей. По длине очага деформации степень высотной деформации металла возрастает по мере увеличения абсолютного обжатия и ширины обжимаемых участков. В общем, конечную (на выходе из очага деформации) вертикальную деформацию металла по высоте раската можно считать равномерной. Максимальная высотная деформация наблюдается в центральной части круглых профилей (ручьев калибров) и уменьшается к краевым участкам (к гребню и краям ручьев калибра).
Поперечная деформация металла характеризуется наличием линии нулевых перемещений, имеющей место по всей длине очага деформации. Можно считать, что металл со стороны верхнего или нижнего валков от середины дна соответствующего ручья калибра перемещается в поперечном направлении в сторону, определяемую направлением горизонтальной составляющей нормальной силы, возникающей на контактной поверхности металла с валком. В центральной зоне калибра металл либо не подвержен поперечной деформации, либо испытывает поперечную деформацию сжатия. В остальной части калибра металл подвержен поперечной деформации растяжения.
На основании анализа результатов исследования течения металла при прокатке двухниточного образца с круглыми профилями в двухручьевом калибре с прямоугольными ручьями, врезанными на диагональ, можно считать, что во всем объеме очага деформации металл испытывает высотную деформацию сжатия и продольную деформацию растяжения. В центральной части у перемычки металл испытывает поперечную деформацию сжатия, а в остальной части поперечного сечения раската - поперечную деформацию растяжения.
Полученные и изложенные ниже результаты исследования прокатки в двухручьевых калибрах с различной формой ручьев базируются на разработанных способах продольного разделения раската и технологических схемах двухручьевой прокатки-разделения. Решение задач напряженного состояния и определения параметров деформации металла, энергосиловых условий прокатки-разделения решены с использованием методов, представленных нами в работе.
В частности, с использованием принципов механики сплошных сред с привлечением аппарата математического планирования эксперимента и методов регрессионного анализа впервые получены математические модели прокатки в калибрах с ромбической, овальной, круглой, шестиугольной и прямоугольной диагональной формой ручьев.
На основе совместного решения уравнений равновесия и уравнений пластичности впервые получена математическая модель объемного распределения нормальных напряжений по очагу деформации в трехручьевом калибре с квадратными диагональными ручьями.
С использованием теоретических и экспериментальных результатов исследований установлены закономерности влияния раскатов, формы и размеров многоручьевых калибров на формоизменение и энергосиловые параметры прокатки, числа ручьев многоручьевых калибров на удельные энергозатраты при совмещении процессов прокатки и разделения сортовых профилей.
Подробно теория совмещенных процессов прокатки и разделения профилей изложена в работе и докторской диссертации Г.М. Шульгина «Разработка научных и технологических основ многоручьевой прокатки-разделения сортовой заготовки и профилей», научным консультантом при выполнении которой был автор этой монографии.
С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса продольного разделения раскатов непосредственно в прокатных валках впервые разработаны методики расчета калибровок валков по основным возможным технологическим схемам прокатки-разделения и рассчитаны калибровки валков и режимы обжатий для двух- и трехручьевой прокатки-разделения в условиях обжимных, сортовых и мелкосортных станов разного типа.
Основные параметры, необходимые для расчета калибровок валков; размер стороны квадратной заготовки после разделения а, радиус закругления гребней в калибрах rг, радиус валков по гребням калибра R и зазор между буртами валков t. Разработаны методика и алгоритм расчета ширины и высоты калибров, глубины вреза ручья в тело валка, межосевых расстояний между ручьями калибра, радиусов закруглений, углов наклона калибров и толщины перемычки. Учтено температурное расширение металла.
Для определения числа необходимых пропусков в многоручьевом калибре следует исходить из того, что процесс характеризуется значительной неравномерностью высотной деформации металла по ширине этого калибра, вызывающей высотную утяжку исходного сечения раската. При этом характерной и общей для многоручьевых калибров особенностью является сравнительно низкая величина уширения металла по мере уменьшения толщины перемычки и увеличения угла наклона стенок ручьев калибра.
На рис. 123 показана калибровка валков для двухручьевой прокатки-разделения квадратных профилей с продольным разделением раската контролируемым разрывом.
В процессе формирования и продольного разделения двухниточного раската получают два профиля с поперечным сечением в виде квадрата, а возможно, и в виде шестиугольника, стрельчатого квадрата, ромба, ромбического овала, которые в последующем пониточно прокатывают за несколько проходов в сортовые профили типа квадрата, шестигранника, круга, прямоугольной полосы, уголка и др. До формирования двухниточного раската и после его продольного разделения можно использовать любую известную систему вытяжных калибров. Расчет калибровки валков производят против хода прокатки с определением размеров прямоугольной заготовки, задаваемой в формирующий двухручьевой калибр.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Калибровка валков при прокатке сортовых профилей с продольным разделением раската в двухручьевом калибре с наклонными к оси валков ручьями показана на рис. 124.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Исходной заготовкой служит промежуточный раскат квадратного или прямоугольного сечения, который последовательно прокатывают в двухручьевом разрезном и двухручьевом формирующем калибрах, При прокатке прямоугольной заготовки в двухручьевом разрезном калибре с эллиптической формой ручьев обеспечивается самоцентрирование задаваемой прямоугольной заготовки боковыми стенками калибра. При последующей прокатке двухниточного раската в двухручьевом формирующем калибре формируется двухниточный раскат, состоящий из двух эллиптических (круглых) профилей, соединенных по горизонтальной оси тонкой перемычкой. Сочетание формы поперечного сечения раската после разрезного центрирующего калибра и конфигурации формирующего калибра обеспечивают самоцентрирование раската и получение симметричного поперечного сечения.
После формирующего калибра фигурный раскат прокатывают в гладких или калиброванных валках, в результате чего получается двухниточный раскат, состоящий из двух плоских овальных или овальных однорадиусных профилей, соединенных по горизонтальным осям тонкой перемычкой. При этом у перемычек формируется концентратор напряжений, образованный взаимным поперечным перемещением металла при неравномерном обжатии эллиптических профилей многониточного раската.
Последующее продольное разделение многониточного раската может осуществляется срезом перемычек путем взаимного поворота овальных профилей вокруг продольных осей в одном направлении, обеспечиваемого калиброванными холостыми роликами специального устройства в межклетевом промежутке, или прокаткой многониточного раската в многоручьевом калибре с наклонным расположением ручьев. При этом своеобразная форма двухсторонних концентраторов напряжений у перемычек обеспечивает возникновение в теле перемычек напряжений сдвига и качественный их срез. При разделении овальные профили скручиваются вокруг продольной оси на угол, обеспечивающий их последующее скручивание (кантовку) на 90° при входе в валки следующей клети, где они пониточно прокатываются в готовый профиль.
Таким образом, создана методика расчета калибровок валков и выведены зависимости для определения размеров калибров для условий трех- и двухручьевой прокатки-разделения сортовой квадратной заготовки на заготовочных станах и для двухручьевой прокатки-разделения арматурных профилей на мелкосортных и проволочных станах различного типа.
Впервые в мировой практике исследование трехручьевой прокатки с безотходным разделением раската в прокатных валках проведено на трехклетевом крупносортном стане 850 Макеевского металлургического завода (МакМЗ) при производстве квадратной заготовки со стороной 58 мм. Стан 850 представлял собой линейный стан, в состав которого входили обжимная, черновая и чистовая клети трио. Заготовку прокатывали из блюмов 300x300 мм стали Ст3сп и СтЗкп и слитков 370/370 (нижнее), 320/320 (верхнее сечение) из стали Ст1кп. Заготовки разделяли разрывом перемычек путем увеличения расстояния между осями ручьев чистового калибра. После этого заготовку прокатывали на непрерывно-заготовочном стане на поперечное сечение 58x58 мм, и она, в свою очередь, служила заготовкой для проволочного стана 250. Из этой заготовки прокатывали катанку диаметром 6,5 мм. Механические испытания показали полное соответствие ее свойств требованиям ГОСТ 380.
Впервые технологию двухручьевой прокатки квадратной заготовки со стороной 60 мм с безотходным продольным разделением в прокатных валках исследовали на крупносортном линейном стане 600 МакМЗ. Прокатку производили из заготовок сечением 156x156 мм в обжимной и чистовой клетях. Двухниточный раскат разделяли разрывом перемычек путем увеличения расстояния между осями ручьев чистового калибра. Опытные заготовки из стали Ст3сп, Ст4кп и 45 без дополнительной зачистки прокатали на сортовых станах 330 и 280 МакМЗ по существовавшей на тот период времени технологии на круги 021, 23 и 25 мм и полосы сечением 50x8, 50x4 и 25x8 мм. Заготовки из стали 65 прокатали на проволочном стане 250 на катанку 06,5 мм. Механические свойства всех готовых профилей, прокатанных из опытных заготовок, соответствовали требованиям нормативно-технической документации.
Промышленные исследования двухручьевой и трехручьевой прокатки-разделения квадратных заготовок на линейных станах показали возможность увеличения их производительности на 12-15% или прокатки заготовок меньших размеров без уменьшения производительности.
Дальнейшие исследования многоручьевой прокатки-разделения проведены на двухклетевом обжимно-заготовочном стане 950/900 ОАО Донецкого металлургического завода (ДМЗ).
При трехручьевой прокатке-разделении из слитка сталей 09Г2 и 35 массой 5,5 т в клети 950 прокатывали сляб сечением 500x250 мм за 11 проходов. Затем в трехручьевом калибре клети 900 за восемь проходов формировали три сочлененных между собой квадратные заготовки со стороной 135 и 100 мм. После прокатки трехниточные раскаты разделяли в продольном направлении на отдельные заготовки газокислородными резаками вне потока стана. Опытные и сравнительные заготовки прокатывали на круги 050, 27 и 17 мм на сортовых станах ДМЗ.
На стане 950/900 отработана также технология многоручьевой прокатки-разделения при использовании в качестве заготовок непрерывнолитых слябов. Слябы сечением 150/180x400 мм прокатывали в клети 950 с существующей калибровкой валков. После прокатки многониточный раскат разрезали в продольном направлении газокислородными резаками по перемычкам. Сортовые заготовки прокатывали на стане 300 ДМЗ в круги 018, 25 и 30 мм.
На стане 950/900 отработана и технология двухручьевой прокатки-разделения. Технология двухручьевой прокатки-разделения предусматривала формирование из унифицированного слитка массой 5,5 т блюма с поперечным сечением 245x300 мм в клети 950. После формирования раската, состоящего из сочлененных перемычками ромбических заготовок, производили его продольное разделение в разделяющем чистовом многоручьевом калибре разрывом перемычек с одновременным формированием квадратных заготовок непосредственно в прокатных валках.
При двухручьевой прокатке нормативную головную обрезь уменьшали на 10-15%, а донную часть раската вообще не зачищали. При трехручьевой прокатке установлена возможность снижения расходного коэффициента металла по сравнению с традиционной технологией за счет сокращения величины головной обрези крайних заготовок. Дифференцированная обрезь крайних и средних заготовок позволяет снизить суммарную обрезь на 0,8-0,9% без ухудшения качества проката. Качество готового проката из заготовок, прокатанных методом прокатки-разделения, исследовали на станах 250 и 350 ДМЗ. Исследования макроструктуры показали, что во всех случаях металл плотный и однородный по всему сечению.
Освоенные на стане 950/900 технологии двух- и трехручьевой прокатки-разделения подтвердили возможность и целесообразность производства сортовых заготовок из непрерывнолитых и катаных слябов из сталей с содержанием углерода до 0,6%.
В дальнейшем промышленные прокатки по технологии двухручьевой прокатки-разделения были осуществлены при прокатке арматурных и круглых профилей на станах 300/280 Омутнинского и 250 Нижне-Сергинского металлургических заводов.
Начиная с 1985 г. в ДонНТУ (с 1991 г. совместно с НПО «Доникс») начата разработка, исследование и освоение технологии двухручьевой прокатки-разделения на основе новых способов продольного разделения многониточного раската в прокатных валках на мелкосортных станах КГГМК «Криворожсталь».
Сортамент мелкосортных станов КГГМК «Криворожсталь» в основном включает арматурные профили для железобетонных конструкций №10-№28, производимые в прутках, при этом наибольший объем производства приходится на арматурные профили мелких сечений (№№10-16).В 1996 г. объем производства таких профилей составил 81,5% от общего объема производства арматурных профилей на комбинате. В связи с этим каждый из мелкосортных станов комбината специализирован на производство узкого диапазона арматурных профилей.
Принципиальная схема двухручьевой прокатки-разделения арматурных профилей с использованием контролируемого разрыва, применяемая на комбинате «Криворожсталь», показана на рис. 125. Из прямоугольной или квадратной заготовки в двухручьевом калибре формируют раскат, состоящий из двух профилей ромбической или квадратной формы, соединенных между собой вдоль одной из диагоналей перемычкой, а продольное разделение раската осуществляют в двухручьевом калибре.
При продольном разделении раската происходит разрушение перемычки без образования в месте разделения заусенцев в виде шейки разрыва. Разделенные квадратные профили после разведения в горизонтальной плоскости одновременно прокатывают в две нитки последовательно в овальных вертикально (см. рис.125 А) или горизонтально (см. рис.125 Б) расположенных валках, далее в предчистовых и чистовых калибрах.
Расположение вводной и выводной привалковой арматуры, технологического оборудования чистовой группы клетей и поперечные сечения раскатов показаны на рис. 126.
Технология прокатки-разделения освоена на мелкосортных станах
- 250-1 при производстве арматурного профиля №8;
- 250-3 при производстве арматурного профиля №10;
- 250-4 при производстве арматурного профиля №12.
На этих станах процесс прокатки-разделения является постоянной технологией производства указанных профилей.
Исследованиями качества установлено, что макроструктура металла в поперечных сечениях промежуточных раскатов и готовых арматурных профилей характеризуется плотной структурой. При визуальном осмотре поверхности протравленных и изогнутых на 90° образцов поверхностных дефектов, вызванных продольным разделением раската, не выявлено.
Процесс прокатки-разделения заготовок и сортовых профилей

Значения показателей механических свойств готового проката, полученного одноручьевой прокаткой и двухручьевой прокаткой-разделением, а также левой и правой ниток стана после продольного разделения близки друг к другу и соответствуют требованиям ГОСТ и ТУ. Фактическая точность готового профиля при двухручьевой прокатке-разделении соответствует требованиям стандарта. Так, колебания массы одного погонного метра арматурного профиля №14 составили 54 грамма и по отношению к среднему значению не превышают ±2,3%, разница массы одного погонного метра арматурного профиля, прокатанных в левой и правой нитках, не превысила ±1,25%. Разница между значениями горизонтального диаметра арматуры из левой и правой ниток по отношению к среднему значению составляет ±0,33 мм (2,1%), а вертикального диаметра ±0,18 мм (1,1%).
В процессе исследований двухручьевой прокатки-разделения на стане 250-4 арматурный профиль №14 подвергали различному уровню упрочнения с прокатного нагрева. На основании исследования механических свойств термически упрочненной арматурной стали марок БСт5пс, 35ГС и 20ГС, проведенного ИЧМ HAH Украины, установлено соответствие полученного уровня механических характеристик стали марки БСт5пс требованиям ГОСТ 10884, предъявляемым к арматуре класса Ат-V, а арматуры из стали марок 35ГС и 20ГС-класса At-VI.
По технологии прокатка-разделение в период её освоения и на конец 2007 г. на мелкосортных станах «Криворожстали» (ныне ОАО «Арселор Миттал Кривой Рог») прокатано более 16 млн. т арматурных профилей.
Производство арматурного профиля №10 освоено на стане 280 ОАО ЕМЗ. Стан 280 линейного типа расположен в три линии: обжимная, черновая и чистовая. На стане прокатывают арматурные профили №12 и №14 из углеродистой и низколегированной стали из квадратной заготовки сечением 150x150 мм.
В связи с условиями реализации возникла необходимость в производстве на стане 280 арматурного профиля №10. Анализ показал, что наиболее рациональным вариантом является применение технологии двухручьевой прокатки-разделения. Путем прокатки квадратного раската в двухручьевом калибре формируется двухниточный раскат, состоящий из двух профилей, выполненных в виде ромбического овала или квадрата, соединенных между собой вдоль одной из диагоналей толстой перемычкой. Последующее продольное разделение двухниточного раската осуществляют в двухручьевом разделяющем калибре способом «контролируемого» разрыва. При продольном разделении, в связи с зарождением макротрещины на оси симметрии раската, происходит разрушение перемычки без образования в месте разделения заусенцев в виде шейки разрыва. Разделенные профили одновременно прокатывают в две нитки последовательно в предчистовых и чистовых калибрах в готовый арматурный профиль. Исследования показали, что при двухручьевой прокатке-разделении арматурного профиля №10 по сравнению с одноручьевой прокаткой часовая производительность стана увеличивается в два раза, удельные энергозатраты на деформацию металла уменьшаются на 15-18%, окалинообразование при прокатке уменьшено на 8-10%.
На полунепрерывном стане 350-1 с шахматным расположением клетей чистовой группы ЗАО МакМЗ освоена технология прокатки-разделения при производстве уголков размерами 45x45x5; 50x50x5 и 63x63x6 мм и швеллера №6. Примерно 80% общего объема производства проката на этом стане выпускается по разработанной технологии. Часть этой продукции поставляется на экспорт.
Таким образом, разработан пакет технологий производства сортовой заготовки на непрерывных, линейных и реверсивных станах, сортовых профилей на непрерывных, полунепрерывных и линейных типах станов из рядовых, низколегированных и легированных марок стали. Разработанный процесс и технологии коренным образом отличаются от «слитгинг-процесса» и исключают его основные недостатки.
Оценивая уже достигнутые результаты, можно сделать вывод, что технология многоручьевой прокатки-разделения позволяет:
-повысить производительность прокатного стана на 20-80%;
- снизить расход энергии на нагрев и прокатку на 10-30%;
- уменьшить потери металла на 3-5 кг/т готового проката;
- сократить расход валков на 20-30%;
- использовать для производства проката существующего сортамента заготовок увеличенного сечения;
- расширить сортамент производимых профилей в сторону малых поперечных сечений.
ИЧМ HAH Украины разработан, исследован и освоен процесс прокатки-разделения, базирующийся на разделении раската в деформирующе-делительном устройстве за счет использования резервных сил трения в очаге деформации предыдущей клети. Перенос части общей деформации металла в неприводное устройство позволяет повысить стойкость формирующих калибров и разделительных роликов деформирующе-делительного устройства, а также создавать в месте разделения перемычку необходимой конфигурации и толщины.
Технология прокатки-разделения, разработанная в ИЧМ HAH Украины, реализована на непрерывных мелкосортных станах Запсибметкомбината (ОАО ЗСМК) и мелкосортно-проволочных станах 320/150 Белорусского и Молдавского металлургических заводов, а также на непрерывном проволочном стане ОАО ЕМЗ. Разработанная технология позволяет увеличить сечение исходной заготовки, что особенно актуально в связи с пуском на ОАО ЕМЗ МНЛЗ, и при этом снизить почти на 15% расход энергии на прокатку.
В ходе выполнения работ по созданию технологии и оборудования, ее обеспечивающего, на способы и новые технические решения получено более 200 авторских свидетельств.
На ряд изобретений получены патенты Украины, России, Беларуси, Молдовы, Великобритании, Канады, Швеции, Италии, США, Германии, Франции и Японии.
Расширение использования технологии прокатки-разделения продолжается. Так, на непрерывном мелкосортно-проволочном стане 320/150 «Амурметалл» освоена технология прокатки-разделения стали для армирования железобетонных конструкций №12. Продольное разделение сдвоенного раската осуществляется разрывом перемычки в специальном калибре. В разработанную технологию заложены главные принципы, разработанные учеными Донецкого политехнического института.
В результате применения новой для стана 320/150 технологии достигнуто повышение производительности стана с 54 до 73 т/ч, снижение расхода энергии (в среднем) с 75,52 до 49,61 квт.ч/т. Механические свойства и размеры арматурного профиля №12 соответствуют требованиям ГОСТ 5781.
На стане 250-1 ОАО ЗСМК освоено производство арматурных профилей №10 и №12 с использованием технологии прокатки-разделения. Особенностью технологии является то, что для продольного резания сформированного в валках сочлененного профиля применяют неприводное делительное устройство. Основанием для этого послужили лабораторные исследования трех способов продольного разделения: передавливание, разрыв, резание, которые показали, что применение первых двух способов приводит к искажению профиля и образованию заусенцев. Это подтвердили и промышленные эксперименты.
Освоенная технология производства позволила сделать авторам работы следующие выводы:
- технология легко адаптируется к условиям действующего производства;
- требует минимальных затрат ресурсов и времени на подготовку стана к реализации новой технологии;
- позволяет повысить производительность прокатного стана;
- снизить расход энергии и валков на тонну готовой продукции;
- обеспечить высокое качество выпускаемой продукции,
Освоенную на стане 250-1 ОАО ЗСМК технологию следует отнести к одному из видов «слиттинг-процесса».
Несмотря на ряд недостатков (указанных выше), «слиттинг-процесс» продолжают активно использовать за рубежом. В последние годы в реализации этого процесса возникли сложности. На новейших прокатных станах стала обычной производительность 100-110 т/ч. При диаметре профилей более 16 мм возможно применение «слиттинг-процесса». При меньших диаметрах профилей и производительности более 100 т/ч «слиттинг-процесс» применять при двухручьевой прокатке затруднительно по ряду причин: дисбаланс производительности стана при прокатке больших и малых сечений, трудности в реализации транзитной прокатки и горячего посада заготовок.
Одним из способов преодоления дисбаланса производительности прокатного стана авторы работы видят в многоручьевой (более чем трехручьевой) прокатке-разделении. В частности, обеспечить производительность стана 100 т/ч можно при четырехручьевой прокатке-разделении. Принципиальная схема и технология, ее реализующая, разработана фирмой «Ниппон Кокан». Она внедрена на прокатных станах в США, Южной Корее и Египте.
В дальнейшем возможны пяти- и шестиручьевые процессы совмещения прокатки и разделения раскатов.