ПРОКАT

А. ЖУРАВСКИЙ

Прошлое прокатного дела

Металлургическое производство складывается из трех основных звеньев. Прежде всего в доменных цехах из железной руды получается чугун. Чугун затем перерабатывается в сталелитейных цехах на сталь. Расплавленная сталь разливается в специальные формы — изложницы, где и застывает. Таким образом получаются стальные слитки. (О получении чугуна и стали см. № 6 1933 г. и № 3 1934 г. «Т. М.»). Слитки поступают в прокатный цех для прокатки в рельсы, строительные балки, сортовое и листовое железо.

В древние времена металлы обрабатывались главным образом ковкой. Та или иная форма достигалась тем, что раскаленный металл подвергался сильным ударам. Этот способ применим для многих изделий и в наше время, но получение длинных полос, листов и т. п. ведется сейчас прокаткой.

Первые прокатные станы появились в конце XVI в. По своему устройству они были весьма просты и представляли собой деревянные станки с двумя железными валками. Верхний валок насаживался на четырехгранную ось. На один конец этой оси надевалась большая крестовина. Между двумя валками вставляли одним концом нагретую до высокой температуры металлическую болванку, а затем начинали вращать крестовиной верхний валок. Болванка проходила между валками и сплющивалась.

"Первые прокатные станы появились в конце XVI в. Они представляли собой деревянные станки с двумя железными валками"

На таких станах прокатывали сначала свинцовые листы, идущие на изготовление органных труб, а затем стали прокатывать серебро и золото для чеканки монет.

Долгое время было распространено мнение, будто железо прокатывать нельзя. Боялись,что нагретое железо быстро остынет от соприкосновения с валками при медленной работе. Остывшее же железо не поддается раскатке, его можно только сгибать и резать. Опасения эти были небезосновательны. Для того чтобы прокатать металлическую болванку в достаточно тонкий лист или стержень небольшого диаметра, надо было пропустить нагретую болванку один раз через валки, затем расстояние между валками уменьшить и болванку пропустить в другой раз, затем опять уменьшить расстояние между валками и так много раз. Естественно, что при таком медленном способе прокатки железо остывало значительно раньше, чем его успевали достаточно тонко раскатать.

Так как валки приводились в движение человеческой силой, то, разумеется, нажимы на металл в первых станах были очень слабыми.

Начались поиски более мощной двигательной силы. Не обошлось дело и без курьезов. В книге Бранка, написанной в XVII столетии, указывается на проект одного механика-изобретателя, который предложил приводить в движение прокатный стан при помощи газов, отходящих из кузнечного горна. Разумеется, предложение это было крайне наивным. Изобретатель полагал, что если построить очень высокую трубу, то благодаря сильной тяге отходящие газы будут вращать колесо, которое через ряд шестерен должно передавать свое движение прокатному стану.

"В книке Бранка, написанной в XVII в., указывается на проект-одного механика-изобретателя, который предложил приводить в движение прокатный стан при помощи газов, отходящих из кузнечного горна"

Прокатка железа и стали оказалась возможной только с того времени, когда стали применять водяную силу для вращения валков. Обычное мельничное водяное колесо соединялось целой системой зубчатых колес с валками прокатного стана. Быстрое течение реки или небольшой водопад приводили колесо во вращение. Тогда начинали вращаться и валки прокатного стана. Теперь уже прокатные станы обладали настолько большой мощностью, что раскатка стальных болванок происходила с необходимой быстротой. Впоследствии, когда была изобретена паровая машина, прокатные станы стали приводиться в действие силой пара; теперь для этой цели используется электричество.

Станы „дуо“ и „трио“ 

Прокатка происходила следующим образом. Стальные слитки или болванки нагревались до высокой температуры в особых печах и затем подавались во вращающиеся валки. Теперь вращались уже оба валка: и верхний и нижний.

Как же проходит металл между валками, надо ли его тащить с другой стороны щели щипцами или другим каким-нибудь приспособлением? — Нет, никакого особого устройства для протаскивания металла в щель между валками не требуется. Металл затягивается в щель силой трения. Это достигается тем, что заставляют валки вращаться в разные стороны. Если посмотреть на них сбоку, то верхний, скажем, будет вращаться по часовой стрелке, а нижний—против часовой стрелки. Подойдите теперь к прокатному стану с той стороны, откуда подается металл. Вы увидите, что валки вращаются друг другу навстречу. Когда вы прижмете слиток к вращающимся валкам, то в местах соприкосновения будет большое трение, отдельные частички на поверхности металла и валков как бы сцепятся. И так как валки идут друг другу навстречу, то и сверху и снизу металл будет одинаково проталкиваться во внутрь и затягиваться в щель.

"Валки вращаются в разные стороны. Если посмотреть на них сбоку, то верхний будет вращаться против часовой стрелки, а нижний — по часовой стрелке"

Подойдите теперь к стану с противоположной стороны, где металл выходит из щели. Здесь вы увидете как раз обратную картину. Валки как бы стремятся оттолкнуться друг от друга и поэтому с этой стороны металл выталкивается из щели.

Таким образом сила трения устраняет необходимость в каком-либо специальном устройстве для протаскивания металла между валками.

Прокатать толстую болванку в тонкий лист нельзя в один раз. Поэтому прошедшую через валик полосу передавали обратно «вхолостую» через верхний валок, поджимали тем временем друг к кругу валки и вновь пропускали полосу, но уж в более узкую щель. Повторяя эту операцию несколько раз, получали уже полосу необходимой толщины.

Чтобы избежать необходимости прижимать, верхний валок к нижнему, в некоторых прокатных станах на валках вытачивали борозды или ручьи (калибры). Слиток подавался сначала в больший калибр, затем в меньший и т. д. Благодаря этому не надо было каждый раз регулировать расстояние между валками. Однако все равно передача полосы «вхолостую» при работе на двухвалковом стане отнимала много времени, металл при этом остывал и его приходилось несколько раз подогревать.

Чтобы увеличить производительность прокатных станов, начали делать не два валка, а три. Такой стан назывался трехвалковым или станом «трио» (двухвалковый стан назывался стан «дуо»). Теперь полосу не надо было передавать обратно «вхолостую». Ее пропускали в обратную сторону между средним валком и третьим, верхним. Верхний валок вращается в ту же сторону, что и самый нижний, но в противоположную сторону по сравнению со средним валком. Нетрудно сообразить, что это позволяет задавать в валки металл с обеих сторон стана.

"В стане "трио" верхний валок вращается в ту же сторону, что и самый нижний, но в противоположную сторону по сравнению с средним валком. Это позволяет задавать в валки металл с обеих сторон стана"

Для подачи металла между средним и верхним валком в прокатных цехах устанавливалось особое приспособление, называемое «подъемным столом». Подъемный стол представлял собой платформу, на которую попадала болванка, выходя между нижними и средним валками. Рабочий, управлявший подъемным столом, пускал воду или пар в цилиндры, на которых покоилась платформа. Воздух или пар двигали поршень в цилиндре и поднимали стол на уровень щели между средним и верхним валками.

Но все же и стан «трио» нельзя считать вполне удовлетворительным. Во-первых, это чрезвычайно сложная машина. К тому же средний валок, несущий в два раза большую нагрузку, чем остальные, значительно быстрей их изнашивается, что скверно отражается ■на точности прокатки и заставляет часто менять валки. К тому же для подъема тяжелых валиков каждый раз приходилось затрачивать много времени и энергии.

На современных металлургических предприятиях, например на наших новых гигантах, прокатка ведется уже не в трехвалковых станах, а в двухвалковых блюмингах, имеющих задний и передний ход (реверсивные станы). Окончательная же отделка и придание надлежащей формы и размера производятся в непрерывных станах.

Колодец Джерса

Представим себе, что мы на металлургическом гиганте — Магнитогорске. Осмотрели доменные цехи, сталелитейные цехи и вот наконец пришли в огромный прокатный цех длиной более километра. Проследим весь процесс прокатки.

Вынутые из изложниц слитки металла закладываются в нагревательные печи в виде колодцев. Открывается крышка, слиток стоймя опускается в печь, и крышка снова закрывается.

"Вынутые из изложниц болванки складываются в нагревательные печи в виде колодцев. Открывается крышка колодца, слиток стоймя опускается в печь, и крышка снова закрывается"

Можно предположить, что в колодце обязательно надо сжигать большое количество топлива для нагревания металла до высокой температуры. На самом деле это совсем не так. Но откуда же тогда возьмется необходимый жар?

Дело в том, что остывание слитка после его отливки начинается с поверхностных слоев, тогда как внутри этой застывшей наружной оболочки металл находится еще в расплавленном состоянии. Если такой слиток опустить в выложенный из кирпича колодец и закрыть сверху обложенной кирпичом крышей, то слиток постепенно выравнивает свой нагрев. Внутреннее тепло еще расправленного металла будет постепенно передаваться наружной корке. Но корка теперь защищена от охлаждения стенками колодца, которые сами быстро прогреваются от первых посаженных слитков. Так как кирпич, из которого сделаны стенки колодца, является плохим проводником тепла, то поэтому,. разогревшись, стенки не отдают тепло в окружающее пространство. Слиток в конце концов будет нагрет своим внутренним теплом весь равномерно до температуры, необходимой для прокатки (примерно 1300°).

Нагрев слитков в стоячем положении в таких колодцах был применен впервые шведом Джерсом. Поэтому эти колодцы так и называются колодцами Джерса.

Минут через 20—30 слиток выравняет свою температуру. Тогда открывают крышку колодца, вынимают слиток краном и устанавливают его на особую тележку, похожую на кресло. Кресло начинает понемногу наклоняться, при этом слиток постепено ложится на бок, на длинную цепь вращающихся катков-роликов (рольганг). Слиток на этих роликах плавно подъезжает к прокатному стану — блюмингу.

Блюминг

Основная часть блюминга — это две станины, в которые вложены два стальных вала. Верхний вал может приподниматься и опускаться по желанию машиниста, управляющего блюмингом. Прокатные валы блюминга приводятся во вращение мощным электромотором в 7 тыс. л. с.

Стальная болванка, идущая для прокатки
в блюминге. Вес болванки 7 т

Валы блюминга медленно вращаются, как бы поджидая свою жертву. Вот слиток подъезжает на роликах к самой пасти валов. Как только он коснется поверхности валов, они захватывают его в свой громадный зев, сжимают, вытягивают, делают тоньше и выталкивают на другую сторону.

В это время рабочий пускает электромотор, который прижимает верхний вал к нижнему толстыми нажимными винтами.

Разъем между валами делается меньше. Затем двигатель, вращающий валы, делает «реверс», т. е. начинает вращаться в обратную сторону. Слиток на роликах снова подкатывается к валам, но уже с другой стороны, валы снова захватывают его, снова сжимают, делают еще тоньше и еще длиннее. Такие станы, способные вращаться то в одну сторону, то в другую, называются реверсивными станами. Таким образом реверсивные станы позволяют с помощью двух валков прокатать слитки до необходимой толщины без холостых ходов.

Но нам надо прокатать слиток в удлиненную болванку квадратного .сечения. Если бы мы стали все время нажимать верхний вал, то слиток с каждым пропуском через валы становился бы все тоньше и длиннее. Но вместе с тем он стал бы несколько увеличиваться и в ширину.

Другими словами, мы получили бы вместо квадратной болванки тонкий длинный лист. Чтобы избежать этого, после нескольких пропусков слиток при помощи, особого так называемого контовального аппарата, поворачивается на 90°.

Контовальный аппарат имеет рычаги с крючками на концах. Этими крючками слиток, вышедший из валков, подхватывается сбоку, под нижнюю сторону. Рычаги поворачиваются, как на шарнире, и переворачивают своими крючками слиток на 90°, или, как говорят, кантуют. Таким образом обработка ведется со всех сторон.

После 15—17 проходов через валы блюминга из толстого и короткого слитка получается длинная раскатанная полоса. Затем раскатанная полоса на рольганте передвигается к гигантским ножницам и режется на куски длиной около метра. Эти куски называются «блюмы» или «блюмцы».

Таким образом работа блюминга состоит в том, чтобы толстый короткий слиток раскатать в тонкую длинную квадратную полосу толщиной около 20 см, которая ножницами режется на блюмы. Блюмы эти идут в дальнейшую прокатку на сортовое железо, рельсы, строительные балки и т. п. Современный большой блюминг может обжать в год почти до миллиона тонн стальных слитков.

До последнего времени в Советском союзе не было поставлено производство блюмингов. Первые блюминги мы ввозили из-за границы, а один блюминг изготовили в 1932 г. на Ижорском заводе. Это был первый советский блюминг, но был он изготовлен на оборудовании, не приспособленном для массового производства такого типа прокатных станов. В настоящее же время, после пуска Уральского завода тяжелого машиностроения (Уралмаша), мы производим блюминги в массовом масштабе, не уступающие по качеству и мощности заграничным.

"Вот слиток подъезжает на роликах к самой пасти валов блюминга. Как только он коснется поверхности валов, они захватывают его, сжимают, вытягивают, делают тоньше и выталкивают на другую сторону"

Непрерывный стан

Блюминг и ножницы сделали свое дело: они превратили слитки в блюмы. Но эти блюмы надо прокатать еще в сортовое железо, придать им различную форму. Эта работа производится другими прокатными станами.

На старых заводах прокатка велась на трехвалковых станах, установленных в несколько линий, как бы в шеренги. Прокатку вели следующим образом. Сначала нагретую болванку пропускали через подготовительную линию валков, в одну сторону между нижним и средним валком, затем обратно между верхним и средним, передавая так несколько раз. Потом полосу передавали в валки, расположенные рядом, в другой линии, и снова прокатывали несколько раз взад и вперед. Раскатанная полоса превращалась в длинную змееобразную полосу, которая извивалась по полу прокатного цеха. Из последнего ручья отделочных валков полоса шла на правильные плиты, где ее выпрямляли, а затем под ножницы — для разрезки.

Такой способ прокатки требовал большое количество рабочих-вальцовщиков, крючечников. Работа была тяжелой и опасной. Старые металлурги называли прокатные цехи «поставщиками инвалидов и социального обеспечения». Кроме того при таком способе прокатки металл остывал и до окончания прокатки его приходилось несколько раз подогревать и поэтому производительность прокатных цехов была очень небольшой.

Но вот в начале XX в. появляется непрерывный прокатный стан.

Непрерывный стан состоит из нескольких двухвалковых станов, расположенных один позади другого. Получается своеобразная очередь станов. В первую пару валков задают нагретую болванку-блюм. Как только первые валки захватят блюм и конец его чуть-чуть покажется с другой стороны, он тотчас автоматически захватывается другой парой валков, в калибр меньшего размера. Выходя из второй пары валков, передней конец полосы также автоматически попадает в калибр третьей пары. И так до конца, пока блюм не раскатается и не примет нужные размеры и форму.

Направление и подача болванки в валки, поворачивания — все это производится автоматически, без всякого участия рабочих. Для этой работы совершенно не требуются вальцовщики и крючечники, передающие полосы из одного калибра в другой. Болванка сама собой, как на конвейере, проходит последовательно через все пары валков, причем в каждой клети металл проходит только через один калибр. Здесь нет обратных движений металла. Прокатка идет так быстро, что металл не успевает остывать.

Наблюдая со стороны за работой непрерывного прокатного стана, мы увидим только, как нагретый блюм нырнет в калибр первой пары валков и затем, как из калибра последней пары вынырнет прокатная полоса в готовом виде. В несколько секунд непрерывный стан превращает блюм в готовый материал, так называемый «прокат».

Получение профиля

Вполне понятно, как получить из толстой болванки например тонкий лист железа. Металл прокатывается несколько раз между гладкими цилиндрическими валами, которые постепенно раскатывают толстую болванку в достаточно тонкий лист.

Но как получить, скажем, двутавровую балку или рельс? — Возьмем рельс и разрежем его поперек. Если мы посмотрим теперь на сечение, то увидим, что рельс имеет определенную форму, или, как говорят, профиль. Соответствующий профиль вырезается и на валках прокатных станов. Соотношение между профилем на валках и действительным рельсом такое же, как и у негатива фотографического снимка к заснятому предмету. Белые пятна получаются на негативе черными, а черные —- белыми. Подобную же картину мы видим и при прокатке фасонного железа. Все углубления на валках соответствуют выступам на рельсе, а все выступы — углублениям.

И точно так же, как при печатании снимка, на бумагу свет проходит сквозь белые места негатива, вызывая почернение бумаги, — точно так же и металл, проходя через валки, заполняет углубления в них и образует следовательно по - выходе из стана выступы, соответствующие настоящему профилю рельса.

Точный профиль рельс получает не сразу, не в одних валках. Сначала блюм пропускают через так называемые калиброванные валки. Форма этих валков лишь отдаленно напоминает окончательный профиль образца. Пройдя эти валки, раскатанная полоса поступает в следующие. Их форма сделана уже более точно. Так постепенно, через девять-десять пропусков, придается окончательный профиль.

Если нужно прокатать проволоку определенного диаметра, то берут валки, у которых вырезаны полукруглые канавки. При тесном соприкосновении валков между ними получается круглое отверстие. Пропуская металл через ряд таких валков, мы получим проволоку нужного размера.

"Если нужно прокатать проволоку определенного диаметра, то берут валки, у которых вырезаны полукруглые канавки"

Для прокатки широких полос железа применяют специальные универсальные станы. В этих станах кроме горизонтальных валов делают еще и вертикальные. Расстояние между вертикально расположенными валками можно также регулировать. Таким образом на одном стане можно получить железные полосы любых размеров. Поэтому такие станы и называются универсальными.

В зависимости от выпускаемой продукции прокатные цехи делятся на заготовочные или болваночные, сортопрокатные, проволочно-прокатные, листопрокатные, рельсопрокатные, бандажепрокатные, трубопрокатные и т. д.

Прокат железного лома

Прежде в прокат шли только слитки, получаемые в сталелитейных цехах. Весь железный лом без разбора шел сначала в переплавку в мартеновских печах и только потом уже из него прокатывалось фасонное железо.

Но теперь нашли способ более рационально использовать часть лома, пуская ее прямо в прокатку. В прежнее время целые скаты вагонных колес шли в зев мартеновской печи. Теперь же мы снимаем ценный обод колеса, изготовленный из высококачественной стали, разрезаем его на три часТи, нагреваем до 1 300° и затем пускаем прямо в прокатку. Из этого материала получается прекрасная бандажная сталь, которая идет у нас на ответственные изделия. Раньше же, при переплавке вместе с остальным ломом, эти ценные сорта стали засорялись вредными примесями.

Вагонные оси прежде тоже шли в переплавку, между тем по своей форме, размерам и качеству материала вагонная ось представляет прекрасную болванку для перекатки а прокатном стане.

Таким образом нашим прокатчикам удалось добиться значительной экономии высококачественного металла, средств и времени.