О.БУЛАНОВА
Одно из важнейших изобретений, сделанных человеком за время его многовекового знакомства с металлами, это прокатный стан. Уже давно было замечено, что изделия, имеющие одинаковое сечение по всей своей длине (рельсы, уголки, балки, листы, пруты) гораздо проще получать, пропуская их между двумя валками, чем методом традиционной ковки.
Можно даже сказать, что такой способ не только самый удобный, но и вообще наилучший. Без него не могло быть и речи о строительстве дешевых железных дорог, железных мостов и судов и еще многого другого. Ведь именно благодаря прокатке появилась возможность придавать железным и стальным заготовкам полное единообразие. Нетрудно представить, скольких усилий потребовалось бы от кузнеца, если бы он вручную делал, например, отковку каждого рельса или колеса железнодорожного вагона.
Между тем, с помощью проката получить такие изделия несложно, притом в большом количестве и, что немаловажно, высокого качества. Поэтому уже в конце XVIII в. прокатка стала одним из основных звеньев производственного цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя ковку.
Но когда же зародился этот метод? Однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Бесспорно одно: до того, как стали прокатывать железо, начали применять прокатку цветных металлов — свинца, олова, меди, монетных сплавов и др. Случилось это в Средние века при изготовлении тонких листов мягкого металла (например, свинца), которые можно было прокатывать вручную без предварительного нагрева. Древнейшее изображение такого простого прокатного станка можно видеть на гравюре 1615 г.
Впрочем, наиболее ранний документ (рисунок с описанием), характеризующий устройство для прокатки олова, оставлен еще Леонардо да Винчи в 1495 г. Примерно до конца XVII в. привод прокатного стана был ручным, в XVIII в. его додумались делать с помощью водяного колеса.
Промышленная прокатка железа началась примерно с XVIII в. в странах с хорошо развитой металлургией — в Англии, России. Прокатные станы применялись для производства кровельного железа, плющения кричной заготовки в полосу или лист, разделения откованной полосы по длине на более мелкие профили квадратного или прямоугольного сечения (т.н. «резные» станы). Таким образом прокатка становится одним из трех основных звеньев производственного цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя менее производительный способ ковки.
До XVIII в. применялась лишь холодная прокатка, но во второй половине века для привода прокатного стана начали применять паровые машины и появилась прокатка в горячем состоянии. Причем сначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но уже с 1769 г. подобным образом начали прокатывать проволоку. Первый прокатный стан для железных болванок был предложен английским изобретателем Генри Кортом, когда он работал над своим методом пудлингования.
Корт первый сообразил, что при изготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимку шлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки. В 1783 г. он получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых калиброванных вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. В дальнейшем прокатные станы постепенно дифференцируются на обжимные, листовые и сортовые.
Способ Корта получил потом широкое распространение, и началось промышленное применение прокатного стана. Но только в 30-40-х гг. XIX в. техника проката была поставлена на должную высоту. Случилось это потому, что к тому времени началось бурное и интенсивное развитие железных дорог, а, следовательно, возникает необходимость в огромном количестве качественных рельсов. А такие можно было получить исключительно методом прокатки. Именно тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других изделий из железа, чугуна и стали.
В 1856-1857 гг. в германском городе Сааре был установлен первый прокатный стан, предназначенный для прокатки крупных балок. Развитие конструкций и специализация этих станов привели к появлению в США в конце XIX в. блюмингов и слябингов. В 1867 г. Г.Бедсон из Великобритании построил непрерывный проволочный стан.
В принципе, устройство прокатного стана в XIX в. было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь с большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Во время прохода заготовки происходили два тесно связанных между собой процесса.
Во-первых, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре, и, во-вторых, заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы: отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.
Валки устанавливались между мощными станинами. Цапфы валков помещались в подшипники. Обычно нижний подшипник был неподвижным, верхний же мог передвигаться вверх и вниз с помощью болтов. Винт, с помощью которого устанавливался вкладыш, брал на себя все давление, оказываемое на него.
Между ним и вкладышем обыкновенно вставлялся предохранительный колпачок, лопавшийся, как только давление на вал достигало опасного предела. Этот дешевый колпачок, который легко было заменить, действовал как предохранитель от поломки других, более важных частей механизма (поломка могла легко произойти в том случае, если валки захватывали слишком толстую заготовку и не выдерживали давления).
При прокатке верхний валок лежал цапфами на хомуте, снабженном вкладышем и подвешенном на двух болтах. Для связи двух таких станин между собой служили четыре толстых болта, проходившие через отверстия поперечины и закладываемые за выемку. Для сцепления валков с двигателем служила муфта. Нижний валок приводился в движение непосредственно от паровой машины, и ось ее совпадала с главной осью ее вала. К верхнему валку движение передавалось с помощью зубчатой передачи. Форма изделия зависела от формы валков. Валки с гладкой поверхностью применялись для изготовления плоского железа, например листов. Для прокатки фигурных сортов их снабжали соответствующими цели выемками — калибровали.
Проходя между ними, заготовка получала нужную форму, т.е. превращалась в полосу округлого, квадратного, продолговатого, четырехугольного или другого сечения. Нужный профиль придавался изделию не сразу, а постепенно. Болванка последовательно проходила через целый ряд валков, из которых лишь последний имел форму готового сортового железа.
К концу XIX в. техника проката настолько усовершенствовалась, что этим путем стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 г. братья Рейнхард и Макс Меннесман из Германии изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа: их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого.
На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой, последняя начинала вращаться. Во-вторых, вследствие формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними.
Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но т.к. ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление — возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости придавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.
Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй т.н. пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы. Цикл прокатки состоял из двух периодов — рабочего и холостого. Во время рабочего периода труба, в которую была введена спиральная оправка, захватывалась валками и обжималась до диаметра готовой трубы.
При этом стенки ее делались тоньше, а сама она вытягивалась (валки как бы снимали слой кольцевого металла и раскатывали его до заданной толщины). Затем начинался холостой период, когда диаметр калибра превышал диаметр трубы. В это время заготовка выходила из контакта с валками и обработка данного участка заканчивалась. Заготовка продвигалась вперед и поворачивалась вокруг оси на 90 градусов — для более равномерной отделки. Цикл, таким образом, повторялся на последующих участках трубы.
В 1886 г. В. Эденборн и Ч. Морган в США применили быстроходную проволочную моталку с осевой подачей. В 1892 г. в США были установлены первые летучие ножницы — конструкции В. Эдвардса. В 1897 г. для привода прокатного стана с успехом применен немецкий электродвигатель. В 1906 г. в Тршинце (ныне Словакия) был пущен прокатный стан с реверсивным электродвигателем.
В 1892 г. нашел практическое применение принцип непрерывной горячей прокатки листов в Теплице (ныне Чехия), где был установлен полунепрерывный стан. В 1923 г. в США был построен первый непрерывный широкополосовой (листовой) стан. В 80-е гг. XIX в. вспомнили о холодной прокатке и начали производство этим способом листов; холодная прокатка труб освоена в 1930 г. в США.
В СССР первым достижением станостроения явилось сооружение Ижорским заводом двух блюмингов, которые в 1933 году введены в эксплуатацию на Макеевском и Днепродзержинском металлургических заводах. В 40-60-х гг. Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) создан ряд прокатных станов для новых технологических процессов, обеспечивающих производство прокаткой многих изделий, которые ранее изготовлялись другими, менее эффективными способами (тонкостенные безрисочные трубы, листы переменной толщины по длине, профили круглого периодического сечения, шары, втулки, винты с крупным шагом, ребристые трубы и др.).
В 1959-1962 гг. ВНИИМЕТМАШем и Электростальским заводом тяжелого машиностроения созданы принципиально новые трубные станы с бесконечным редуцированием труб, а также станы для непрерывной прокатки бесшовных труб производительностью на порядок выше по сравнению с действующими. В эти же годы пущены разработанные ВНИИМЕТМАШем, НИИ автомобильной промышленности и Горьковским автозаводом первые станы для прокатки цилиндрических и конических колес.
В 60-е гг. в СССР, США, ФРГ и Италии начато создание литейно-прокатных агрегатов, в которых совмещены процессы непрерывного литья и прокатки в едином неразрывном потоке. Такие агрегаты уже получили широкое применение для производства катанки из алюминиевых и медных сплавов, листов из алюминиевых сплавов и заготовок из стали.