ВВЕДЕНИЕ
Существующее технологическое оборудование для производства гнутых профилей использует метод холодной прокатки, позволяющий значительно повысить производительность процесса.
Преимущества гнутых профилей, определяющие быстрое развитие их производства, обусловлены широкими возможностями процесса профилирования и его высокими технико-экономическими показателями, а также большим комплексом технологических достоинств, а именно: высоким качеством поверхности, одинаковой толщиной полок и стенок по всему сечению профиля, возможностью изготовления профилей сложной конфигурации.
Профили могут быть изготовлены из самых различных материалов: горячекатаной и холоднокатаной углеродистой и низколегированной стали, цветных металлов и сплавов, допускающих холодную обработку, а также сталей с различными видами антикоррозионных и декоративных покрытий.
• Отсутствие дефектов на поверхности гнутых профилей позволяет получать их с высокой чистотой поверхности наряду с высокой конструкционной прочностью и коррозионной стойкостью.
Однако в производстве гнутых профилей существуют определённые трудности, связанные прежде всего с выполнением заданных чертежом размеров по изгибаемой части профиля. Утонение полосы в месте изгиба ведёт к отклонению геометрических размеров профиля от требуемых и соответственно к определённому снижению прочностных параметров.
Основной задачей данной работы является проектирование и усовершенствование профилегибочных агрегатов для получения более широкого сортамента гнутых профилей, что связано с уточнением технологических процессов гибки.
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОФИЛЕЙ
В настоящее время для получения профилей используют два основных метода - это широко распространённая сортовая прокатка и метод холодной гибки листовой заготовки с профилированием полосы на профилегибочных агрегатах:
Каждый способ производства по своей технологии не похож друг на друга несмотря на то, что в качестве рабочего инструмента в обоих случаях используется рабочие клети прокатных агрегатов. В результате получаемые этими различными методами профили имеют как достоинства, так и недостатки. Первому методу присущи относительно высокая точность, но большие потери металла, а также высокие энергозатраты. Второму, наоборот, из-за сложности технологического процесса свойственна некоторая потеря точности. Однако данные профили выигрывают в своей лёгкости на 1 п.м. при сохранении той же несущей способности, а также резким снижением капитальных затрат на реализацию и эксплуатацию. Кроме того, гнутые профили характеризуются повышенным коэффициентом использования металла и высоким качеством поверхности [1].
Перечисленные выше основные преимущества гнутых профилей и предопределили широкое развитие их производства и применения.
Рассмотрим особенности производства профилей на сортовых и профилегибочных станах. В качестве примера возьмём два вида профилей: швеллер и уголок, на основе которых проведём сравнительный анализ применяющихся в каждом производстве технологического оборудования, а также эффективности применения каждого вида металлопродукции [2].
1.1. Производство сортовых профилей
Для прокатки швеллерных и угловых профилей в зависимости от их типоразмера используют линейные, непрерывные, полунепрерывные и другие станы. Рассмотрим общие принципы прокатки уголковой стали и швеллеров.
Производство швеллеров
Швеллеры прокатывают на рельсобалочных (крупные) и сортовых (мелкие) станах. Наибольшее распространение при прокатке швеллеров получили балочный и развёрнутый способы построения калибров [3], [4].
Балочная технология основана на применении корытных калибров (рис. 1.1, а). При ней на первых 2-5 калибрах применяются черновые универсальные балочные калибры, которые одновременно могут использоваться для производства не только швеллеров, но и для других профилей смежных размеров и балок (двутавры, и т.д.). Преимуществом этого способа является его универсальность, которая позволяет производить многономеиклатурную продукцию при сокращённом парке валков. Однако такой многоцелевой характер этой технологии приводит к снижению производительности, повышению энергетических затрат и расходу металла. Кроме того, сравнительно высокая исходная заготовка увеличивает общую деформацию в условиях резко выраженной неравномерности деформации по ширине. Это также приводит к увеличенному износу калибров из-за большой разности окружных скоростей по периметру калибра.
Стремясь избежать или хотя бы свести до минимума недостатки присущие балочному способу, была создана более рациональная система калибровки (рис. 1.1, б). Здесь калибры имеют увеличенный до 15 •*¦ 20% выпуск (против 3% в описанном выше способе) наружных полок. Это позволило уменьшить глубину вреза ручьёв, и тем самым повысить прочность валков в опасном сечении, что позволило применить более интенсивные обжатия.
a) 5)
Рис. 1.1. Калибровка валков для прокатки швеллеров:
а) балочный;
б) с увеличенным (до 15 ¦*• 20%) выпуском полок и сгибанием прямых полос;
в) с разворотом полок по радиусу и изогнутой стенкой (развёрнутый способ).
Развёрнутый способ построения калибров относится к наиболее прогрессивному и широко распространённому в последнее время (рис. 1.1, в). Здесь применяется система развёрнутых до горизонтали кривополочных калибров с изогнутыми полками и стенкой. Преимуществом этого способа прокатки является высокая интенсивность деформации металла в развёрнутых калибрах, уменьшение износа калибров вследствие незначительной разницы окружных скоростей и более равномерная деформация металла по ширине полосы. Развёрнутая калибровка уменьшает неравномерность вытяжки по полкам и стенке, что уменьшает поперечную вытяжку, а следовательно, и концевую обрезь.
Кроме того, применение узких калибров позволяет удерживать при прокатке несколько повышенную температуру из-за уменьшения поверхности теплоотдачи. А сохранение температуры резко уменьшает усилие в калибрах, их износ и повышает экономические показатели. Повышается управляемость над процессом из-за повышения устойчивости заготовки: её меньше уводит в
8
сторону. Это позволяет переходить на производство швеллеров с минусовым допуском.
Производство угловой стали
Угловая сталь является наиболее распространённым профилем. Её прокатывают на сортовых и рельсобалочных станах. Из всего многообразия различных схем прокатки необходимо отметить только две, являющиеся основой всех остальных схем: прокатка с прямыми и развёрнутыми полками (рис. 1.2). Прокатка здесь происходит по наиболее распространённой в последнее время диагональной калибровке валков, преимуществом которой является обжатие металла по всему периметру калибра и более точное формирование элементов профиля.
а> ~ 5)
Рис. 1.2 Калибровка валков для прокатки угловой стали:
а) с прямыми полками; б) с развёрнутыми полками; в), г) схема чистового калибра со стеснённым и свободным уширением.
При прокатке угловой стали с прямыми полками (рис. 1.2, а) центральный угол постепенно уменьшается со 125 - 145 е (в первом черновом калибре) до 90 е (в чистовом калибре). Недостатками этого способа являются: глубокий
9
врез калибров в валки (уменьшение их прочности); большая разница рабочих диаметров валков, что ведёт к их повышенному износу и ухудшению качества профиля (ср. прокатку швеллеров балочным способом). Эти недостатки сводятся к минимуму при прокатке угловой стали с развёрнутыми полками (предложено Б.П. Бахтиновым) (рис. 1.2, б) [5]. Уменьшение центрального угла здесь проходит в соответствии со схемой описанной выше. Недостатками данного способа являются: большое формоизменение ведущее к увеличению обжатия полок; уменьшение устойчивости прокатки, что приводит к появлению на наружных гранях полок значительных растягивающих напряжений, а часто и к образованию микро- и макротрещин.
Прокатка угловой стали может вестись со стеснённым (рис. 1.2, в)¦несвободным'(рис.. 1.2, г) уширением. В первом случае возможно появление на кромках готового профиля наружных дефектов в виде трещин, волосовин и складок. Часто такая технология приводит к неустойчивости процесса и как следствие к перекосу полок. Избавиться от этого недостатка позволяет прокатка в калибрах со свободным уширением, что даёт возможность избежать образования складок и облегчить задачу раската в клеть. Такая схема сказывается лишь на изменении ширины полок. Недостатком процесса является не всегда правильное закругление внутренней грани полки.
Недостатки производства сортовых профилей
Общим недостатком всех указанных технологий являются присущие процессу дефекты поверхности:
1. Наружные дефекты - закаты, трещины, раковины, искажения профиля из-за смещения изгиба профиля, скручивания и т.д.
2. Внутренние дефекты — раковины, обезуглероживание поверхности, неоднородность механических свойств (анизотропия), вследствие неравномерности деформаций.
10 Всё это приводит к неточности размеров и нарушению необходимой
чистоты поверхности, являющейся источником коррозии и концентратором
нагрузки при эксплуатации.
К общим недостаткам сортовых станов также следует отнести [6]:
1. Дорогостоящее оборудование, сложность его монтажа и обслуживания.
2. Вся линия по производству сортовой продукции объединяет в своём составе несколько прокатных станов, образуя на металлургическом заводе сортовой прокатный блок, занимающий большую площадь.
3. Следствием того, что прокатка осуществляется преимущественно в горячем состоянии, появляется необходимость строительства в непосредственной близости от прокатного стана нагревательных печей или колодцев для разогрева заготовок. Здесь же при несоблюдении режима нагрева может быть как недогрев, так и перегрев металла, приводящий к нежелательным последствиям. В процессе прокатки недогретого металла возникает неравномерность деформации, происходящая из-за разницы пластических свойств поверхностных и внутренних слоев заготовки. При повышенных деформациях прокатки это может привести к разрыву в менее нагретых слоях заготовки. Перегрев металла приводит к образованию на нём окалины, что ведёт к дополнительному износу рабочих валков, а также внедрению окалины в прокатываемый профиль, что вызывает необходимость в дополнительном его фрезеровании. Здесь также следует отметить такое возможное явление как рекристаллизация, ведущая к снижению механических свойств металла.
4. В результате того, что каждая рабочая клеть осуществляет последовательный обжим прокатываемой заготовки, они должны обладать достаточной жёсткостью и устойчивостью, то есть массивностью конструкции. Давление на рабочие валки вызывает их прогиб, который компенсируется группой дополнительных опорных валков. Кроме того, в промежуточных клетях рабочие валки заметно вырабатываются и нуждаются в замене. Если в черновых клетях можно пренебречь заменой
11
валков за счёт допуска, то чистовые клети должны характеризоваться заданной точностью проката по допускам и качеству поверхности.
5. Большая сложность расчётов калибров по переходам, при которых необходимо рассчитывать давление металла на валки с учётом его обжатия, выражающегося в заполнении калибра металлом. Неправильный расчёт может привести к поломке валков. Кроме того, важен учёт уширения металла в чистовых клетях. С учётом всего этого возникает такая проблема как явление опережения и отставания прокатываемого металла на выходе и входе его в рабочую клеть. Для того чтобы "уравновесить" эти скорости по всей линии необходимо увеличивать скорость вращения валков в каждой последующей рабочей клети по сравнению с предыдущей. Всё это естественно строится на дополнительных расчётах, невыполнение которых чревато аварийными ситуациями (разрыв профиля при повышенном натяжении и дополнительное применение правильных машин при выпучивании профиля). Подобное различие скоростей вынуждает использовать каждой рабочей клетью отдельного привода либо применять сложную систему регулирования скорости:
6. Повышенное энергопотребление, возникающее из-за неравномерности деформации при обжиме и трении в процессе скольжения раската по калибру, что преодолевается дополнительной мощностью.
7. К чисто экономическим недостаткам процессов прокатки следует отнести большой расходный коэффициент металла (коэффициент использования металла Кким) на 1т готовой продукции, который определяется потерями металла на угар в нагревательных печах и во время прокатки, а также отходами на обрезь и брак, которые будут зависеть от типа используемого стана [4], [7], [8]:
При прокатке сортовой стали расход металла тем больше, чем больше размер и качественнее профиль. Наибольший расход металла наблюдается на крупносортных станах, наименьший - на мелкосортных. Это происходит
12
потому, что готовые раскаты крупносортной стали сравнительно небольшой длины, а мерные длины их ещё короче и при резании готовых раскатов часть металла теряется в обрезки и стружку.
Сравнительные данные по различным станам приведены в табл. 1.1.
Расход металла при прокатке на различных сортовых станах
Таблица 1.1
Стан Выход годного, % Потери, % Коэффициент расхода металла на 1т готового проката
угар обрезь
Линейного типа Рельсобалочный: прокатка балок................. Крупносортный 650............ » 500............ Среднесортный 450............ » 350............ Мелкосортный 300............ » 250............ С последовательным расположением клетей Крупносортный 530 (кросс-коунтри) • • • Среднесортный 350 (непрерывный) Мелкосортный 300 (непрерывный)----- Мелкосортный 250 (непрерывный)----- 94 91 91 92 93 93 93 91-93 93-95 93 + 96 94-96 1,5 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 4,5 7,0 7,0 6,0 5,0 5.0 5,0 5,0 + 7,0 3,0 + 5,0 2,0 + 5,0 2,0 + 4,0 1,060 1,099 1,099 1,087 1,075 1,075 1,075 1,075 + 1,099 1,052 + 1,075 1,041 + 1,075 1,041 + 1,064
13
Цифры, приведённые в таблице 1.1, являются средними. Для отдельных профилей и марок стали расход металла будет колебаться в значительной степени. Например, на станах 600 - 450 он будет составлять 94% для простых профилей из низкоуглеродистой стали и снижаться до 85% для специальных сортов высокоуглеродистой стали.
При общем подсчёте расхода металла (сквозной расходный коэффициент), включая и сталеплавильные цеха, следует принять во внимание и расход слитков поступающих в прокатные цеха. Расход слитков на 1т блюмов (в случае спокойной стали) принимают равным Кким = 1,25. Наибольшее количество балок, швеллеров и других фасонных профилей производят из кипящей стали, поэтому расход металла на блюминге (при частичном использовании спокойной стали) примерно равен Кким = 1,12. Тогда расход слитков на 1т балок (швеллеров) при прокатке их на рельсобалочном стане составит: 1J2 • 1,06 = 1,87 т (по данным табл. 1.1).
14
1.2. Производство гнутых профилей
Тонкостенные профили сложной фасонной конфигурации, в том числе и пустотелые, получать горячей или холодной прокаткой во многих случаях невозможно. Значительно экономичнее изготовление таких профилей способом гибки [9].
Гнутые профили проката относятся к одному из новых экономичных видов металлопродукции. Их изготавливают в основном тремя способами — гибкой в штампах, волочением через роликовые фильеры и формовкой на профилегибочных агрегатах [10]. Общим для всех процессов является использование в качестве исходного материала плоской листовой заготовки в рулонах или отдельных листов.
Первые сообщения об использовании гнутых профилей за рубежом относятся к середине XIX века. В России гнутые профили из тонколистовой стали впервые были применены в 1838 г [11]. Тонкостенные балки использовали при восстановительных работах после большого пожара в Зимнем дворце. В 1855 г при строительстве административного здания в Нью-Йорке применяли двутавровые профили, изготовленные из двух гнутых швеллеров толщиной от 1,6 до 3,5 мм соединённых заклёпками. В то время гнутые профили изготовлялись малопроизводительным способом -штамповкой на прессах. Только в начале 20 в. штамповка сменилась профилированием, что обеспечило более высокую производительность.
Причиной широкого распространения производства профилей на профилегибочных станах было вызвано значительным увеличением объёма производства продукции машиностроения, а также бурным развитием промышленного и гражданского строительства, требующего более дешёвых и более производительных методов производства конструкционных материалов. Наиболее интенсивно производство гнутых профилей начало развиваться в годы второй мировой войны и, особенно, в послевоенный восстановительный период.
15
Изготовление профилей в штампах происходит главным образом на листогибочных прессах. Профиль в зависимости от сложности получают за один или несколько ходов пресса, во время которых элементы профиля формуются последовательно один за другим. Скорость изготовления профилей методом гибки невелика, так как число ходов листогибочных прессов 30 — 60 в минуту. При этом неизбежны большие затраты времени на установку заготовки в штампе.
Второй способ изготовления гнутых профилей заключается в том, что полосу со специально подготовленным передним концом заправляют в роликовую фильеру или ряд фильер и протягивают через них. Скорость получения гнутых профилей невелика, неизбежны остановки на отрезку полученного профиля.
Изготовление гнутых профилей на профилегибочных станах отличается от первых двух способов стабильностью, непрерывностью, высокой степенью механизации и автоматизации, большой производительностью.
Следует отметить, что процесс профилирования нельзя отождествлять с процессом прокатки: при прокатке в каждой клети изменяется не только форма полосы, но и её поперечное сечение, а при формовке и профилировании последовательно изменяется только форма поперечного сечения полосы (рис. 1.3).
Испоит полоса юо
ш
S)
Готовый профиль
Рис. 1.3. Калибровка валков для получения открытого (б) и
закрытого (в) профиля: 1 — верхние валки; 2 - нижние валки.
16
В настоящее время на профилегибочных агрегатах изготовляют профили из полосы толщиной 0,5 — 20'мм'и-*шириной до 2000 мм. Первые подобные станы были установлены в США вь 1910 — 1911 гг. в основном для автомобилестроения.
Для профилирования холодной горячекатаной и холоднокатаной полос применяют агрегаты трёх типов [12]:
1. поточные для поштучного профилирования листов;
2. поточные для поштучного профилирования листов, получаемых непрерывной резкой рулонной полосы перед формовкой;
3. поточные непрерывные для профилирования "бесконечной" полосы и последующей резки профилей на мерные длины.
Во многих этих агрегатах профилирование листов или полосы осуществляется на многоклетьевом непрерывном стане с горизонтальными и вертикальными валками. Валки этих клетей образуют калибры для последовательного изгиба листа (полосы) и получения соответствующего открытого или закрытого профиля (рис. 1.3; б, в). При последовательном изгибе материал листов и полосы испытывает напряжения близкие к пределу текучести не по всему сечению, а только на участках последовательной деформации. Усилия на валки, возникающие при последовательных изгибах небольшие, поэтому конструкция клетей непрерывного стана весьма проста и относительно легка:
Агрегаты первого типа (рис. 1.4, а) применяют для поштучного профилирования листов. Они наиболее просты по конструкции. Листы и стопы (пачки) по одному поднимаются при помощи электромагнита или вакуумных присосов и задаются в непрерывный профилегибочный стан.
Агрегаты этого типы применяют для формовки тяжёлых профилей из листов шириной более 1000 мм и толщиной 10 - 20 мм. Существенным недостатком агрегата является неточность размеров и формы по концам профиля вследствие так называемого пружинения, возникающего при упругом
17
возврате деформированных концов меньшей жёсткости, чем средняя по длине часть профиля.
Агрегат второго типа (рис. 1.4, б) применяют для профилирования листов толщиной до 10 мм и шириной до 1500 мм. По сравнению с агрегатом первого типа он характеризуется большей производительностью и большей степенью механизации и автоматизации технологических операций, так как в головной части агрегата; использован рулонный способ подготовки полосы. Такое профилирование позволяет улучшить качество за счёт отсутствия отклонений формы профиля на концевых участках, как это бывает при поштучном профилировании, а также позволяет производить профилирование в более жестких режимах, что уменьшает количество формующих валков и снижает металлоемкость.
Агрегат третьего типа (рис. 1.4, в) является наиболее совершенным. Благодаря стыковой сварке концов полос и наличию петлеобразования на агрегате осуществлён принцип "бесконечности" всех технологических операций. Недостаток присущий первым двум агрегатам (неточность концов профиля) здесь полностью устранён, так как осуществляется непрерывное и "бесконечное" профилирование полосы (а не листов).
В настоящее врехмя чаще всего используются агрегаты второго типа [13]. Несмотря на то, что процесс профилирования здесь не "бесконечен" они удобны тем, что в их линии отсутствует дополнительная стыкосварочная машина вынуждающая увеличивать общую длину агрегата за счёт невозможности искривления общей поточной линии.

Получить работу