Сортопрокатный стан

К сортовому металлу относятся три вида продукции: простые, фасонные и периодические профили^[5].

1. Простые сортовые профили имеют простую геометрическую форму — круг, квадрат, шестигранник и полосу прямоугольного сечения.

2. Фасонные сортовые профили имеют относительно сложную форму поперечного сечения. К ним относятся как профили общего (чаще всего строительного назначения) — уголки (равнополочные и неравнополочные), швеллеры и двутавровые балки, так и профили отраслевого назначения — рельсы, шпунт, профили для шахтной крепи, оконнорамные профили и т. п.

3. Периодические профили, имеющие ту особенность, что их форма поперечного сечения изменяется по длине проката — например, арматурные профили (для армирования железобетонных конструкций), профили для изготовления автомобильных осей.

В зависимости от расположения рабочих клетей и схемы прокатки существуют следующие типы сортопрокатных станов: линейные, последовательные, полунеп­рерывные, непрерывные и бесконечной прокатки^[1][3][5].

— Линейный сортопрокатный стан имеет рабочие клети, расположенные в одну или несколько линий, причём клети каждой линии приводятся от отдельного электродвигателя. Такие станы характеризуются относительной простотой конструкции и малой стоимостью, но имеют очень существенный недостаток — одинаковую частоту вращения валков и, соответственно, скорость прокатки в одной линии, что затрудняет точечное регулирование этих параметров в процессе работы.

— Последовательный сортопрокатный стан включает рабочие клети, расположенные таким образом, что металл прокатывается одновременно только в одной клети. При этом число клетей равно числу проходов прокатки, а расстояние между последовательно расположенными клетями возрастает по мере увеличения длины раската. В данном случае нет необходимости согласовывать скорость прокатки по клетям и облегчается настройка стана. С другой стороны, общая длина стана может получиться слишком большой, поэтому такие станы, как правило, делают с несколькими параллельными линями прокатки, что вызывает необходимость поперечного перемещения раската.

— Полунепрерывные сортопрокатные станы состоят как из клетей с линейным или последовательным расположением, так и из непрерывной группы клетей. Такие комбинированные станы смешанного типа получили достаточно большое распространение из-за своей универсальности.

— Непрерывный сортопрокатный стан — это многоклетевой стан, при прокатке в котором металл находится одновременно во всех (или, по крайней мере, в нескольких) клетях. В отличие от последовательного стана, клети расположены близко одна к другой. Это наиболее скоростные и высокопроизводительные прокатные агрегаты. Однако сложность согласования скоростей прокатки в разных клетях обусловливает применение таких станов, как правило, для изготовления простых профилей.

— Станы бесконечной прокатки используют технологию предварительной сварки концов предыдущей и последующей заготовок.

По назначению и типоразмеру прокатываемого металла сортопрокатные станы подразделяются на несколько видов: рельсобалочные, крупносортные, среднесортные, мелкосортные, проволочные и штрипсовые, а также комбинированные (средне-мелкосортные, мелкосортно-проволочные)^[4][5]. С точки зрения изготовления сложных фасонных профилей, к сортопрокатным станам относят также шаропрокатные, колёсопрокатные (включая бандажепрокатные), кольцепрокатные, профилегибочные (роликовые) станы для производства гнутых профилей и другие деталепрокатные станы, в том числе станы периодической, поперечной и поперечно-клиновой прокатки^[5][6][7].

Рельсобалочные станы — это сортопрокатные станы с диаметром валков 750—950 мм для производства рельсов, крупных балок и других крупных фасонных профилей. Сортамент выпускаемой продукции включает рельсы с массой погонного метра 50, 65 и 75 кг и стандартной длиной 25 м; двутавровые балки высотой 200—600 мм с шириной полок до 250 мм; швеллеры высотой 300—400 мм; шпунт длиной 6—24 м; уголки 180х180 — 230×230 мм, круглый профиль диаметром 120—350 мм и длиной 5—8 мм.

К этой же категории относятся и универсальные балочные станы, имеющие в своём составе универсальные горизонтально-вертикальные клети. Их сортамент включает как обычные двутавровые балки с с высотой и шириной полки от 200х100 до 1000×320 мм, так и широкополочные балки от 200х150 до 100×400 мм, а также колонные профили от 200х200 до 400х400^[6][7][8].

Крупносортные станы — это сортопрокатные станы с диаметром валков 500—750 (иногда до 800) мм для производства крупных (тяжёлых) фасонных и простых сортовых профилей. На крупносортных станах прокатывают круглый профиль диаметром 50—200 мм, профиль квадратного сечения 50х50 — 100×100 мм, полосовой профиль толщиной 15—50 мм и шириной 10—200 мм, уголок размером 80—160 мм, двутавровые балки высотой 100—300 мм, рельсы массой до 24 кг/м^[7][8]. Крупносортные станы имеют схожий размерный сортамент с рельсобалочными станами по простым профилям, а фасонные профили (швеллеры, двутавровые балки и рельсы) являются для части из них дополнительной опцией.

Среднесортные станы — это сортопрокатные станы с валками диаметром 300—500 мм для производства фасонных и простых сортовых профилей среднего размера. Готовой продукцией является круглый прокат диаметром 20—120 мм, прокат квадратного сечения размером 40—120 мм, угловые профили с полкой 75—125 мм, полосовую сталь шириной 45—200 мм и толщиной 4—16 мм. Важной частью сортамента таких станов являются швеллеры и двутавровые балки высотой 160—300 мм, а также рельсы массой до 24 г/м. В этой связи среднесортные станы иногда называют среднесортно-балочными^[6][7][8]. Среднесортные станы (наряду с мелкосортными) являются наиболее распространёнными сортопрокатными станами на заводах чёрной металлургии, поскольку они выпускают наиболее востребованный размерный сортамент профилей, широко используемый в строительстве и машиностроении.

Мелкосортные станы — это сортопрокатные станы с валками диаметром 250—350 мм для производства мелких сортовых профилей. Готовой продукцией является круглый прокат диаметром 8—30 мм, прокат квадратного сечения размером 10—27 мм, уголок размером от 20×20 мм до 50×50 мм, узкая полоса толщиной до 8 мм и шириной 12—70 мм, а также другие мелкосортные профили. Они могут поставляться как в прутках с порезкой на мерные длины, так и в бунтах (круглый прокат диаметром до 25 мм и узкая полоса^[6][7][8]. Мелкосортные станы выпускают наиболее ходовой размерный сортамент проката для строительного сектора.

Мелкосортно-проволочные станы — это сортопрокатные станы с валками диаметром 250—350 мм для производства расширенного сортамента мелких сортовых профилей и катанки. Размерный сортамент готовой продукции включает круг и арматуру диаметром 5—40 мм, квадрат 10—35 мм, шестигранник 10—38 мм, уголок 20—50 мм, а также швеллеры с высотой стенки 50 и 65 мм^[9]. Комбинированные мелкосортно-проволочные станы наибольшее распространение получили на мини-заводах, которые, в отличие от интегрированных металлургических комбинатов, не имеют доменных печей и конвертеров, а работают по технологической схеме «электродуговая печь — установка непрерывной разливки — прокатный стан».

Проволочные станы — это мелкосортные прокатные станы с валками диаметром 150—280 мм для производства катанки. Готовой продукцией является катанка — круглый горячекатаный мелкосортный прокат диаметром 5—13 мм и арматурная сталь (прокат периодического профиля для армирования железобетонных конструкций). Катанка поставляется, как правило, в смотанном виде в бунтах и используется, главным образом, в качестве заготовки для холодного волочения^[7][8]. Из всех сортопрокатных станов проволочные станы обладают наибольшим количеством клетей, работают на наибольших скоростях прокатки и выпускают прокат минимальных размеров.

Штрипсовые (полосовые) станы — это сортопрокатные станы для производства полосы с прямыми кромками толщиной 1,5—15 мм и шириной 30—500 мм или штрипса толщиной 2—8 мм и шириной 120—460 мм. Штрипс — это стальная полоса со скошенными кромками, используемая в качестве заготовки при производстве спиральношовных труб^[1][5]. Как правило, штрипсы производили на крупно- и среднесортных станах, отдельные штрипсовые станы носили единичный характер. Существует также опыт прокатки более широкого и толстого штрипса для труб большого диаметра (ТБД) на широкополосных и толстолистовых станах горячей прокатки.

Шаропрокатные станы — это двухвалковые станы поперечной прокатки с имеющими переменный шаг калибрами винтового профиля для прокатки стальных шаров диаметром 25—125 мм из углеродистых и легированных сталей. Такие шары используются для помола руды, угля и цемента в шаровых мельницах, а маленькие шарики диаметром 25—50 мм — для подшипников качения. Шары формуются из катаной заготовки круглого сечения посредством поперечно-винтовой прокатки в валках, вращающихся в одном направлении и расположенных под небольшим (2—7°) углом один к другому и к оси заготовки^[5][7]. В отличие от ковки и литья, поперечно-винтовая прокатка шаров характеризуется большей экономичностью (экономия металла составляет до 20 %) и более высокой производительностью (увеличение до 10 раз) за счет использования непрерывных автоматизированных процессов^[10].

Колёсопрокатные станы — это прокатные станы для горячей раскатки диска с ободом и гребнем при производстве цельнокатаных колёс из предварительно профилированной на прессе заготовки. Как правило, собственно колёсопрокатные станы являются частью технологической линии по производству колёс, наряду с осадочным, прошивным и формующим прессами^[5][6][7]. На колёсопрокатных станах изготавливают цельнокатаные (не требующие последующего бандажирования) железнодорожные колёса диаметром 850—950 мм (для вагонов), 1050 мм (для тепловозов) и 1250 мм (для электровозов) из углеродистой или низколегированной стали.

Кольцепрокатные станы — станы для горячей прокатки колец и втулок наружным диаметром 50—6000 мм и длиной 20—100 мм, например для подшипников и колёсных бандажей. По своей конструкции кольцепрокатный стан в значительной степени идентичен колёсопрокатному стану. Различие между этими станами заключается в наличии у последнего дополнительного внутреннего неприводного валка (дорна), который опускается при задаче в стан заготовки кольца и регулируется в горизонтальном направлении^[5][10].

Профилегибочные станы — станы для производства гнутых профилей из металлической рулонной полосы путём холодного формования (гибки) между валками (роликами). Этот процесс называют также профилированием. Такие станы применяются, главным образом, для изготовления облегчённых профилей из стали и цветных металлов, для которых прокатка, штамповка и прессование менее рациональны (а иногда и вовсе невозможны), по сравнению с гибкой. Эти облегчённые тонкостенные профили сложного поперечного сечения активно используются в строительных конструкциях и разных отраслях машиностроения. Сортамент профилегибочных станов охватывает профили открытого и закрытого типа, заготовкой для которых служит полоса шириной до 2000 мм и толщиной 0,1—20 мм^[4][5][6][7].

Станы периодической прокатки — это станы для осуществления поперечно-винтовой или продольной периодической прокатки с изменяющимся обжатием прокатываемой заготовки посредством валков, имеющих переменный радиус по периметру относительно оси вращения или поворота. Продукцией таких станов являются профили сложной формы с переменным сечением диаметром 50—300 мм на определённой длине проката, например, ступенчатые или конические валы, оси или полуоси, торсионные валы и другие детали автомобилей^[4][5][7].

Станы поперечной прокатки — это станы с взаимно параллельными валками, вращающимися в одном направлении, для обработки тел вращения. При поперечной прокатке металлу придаётся вращательное движение относительно его оси, что приводит к его обработке в поперечном направлении. В станах поперечной прокатки оси валков лежат в одной плоскости с осью прокатываемой заготовки (и в большинстве случаев параллельны этой оси)^[4][5][10].

Такие станы используются для проведения следующих процессов:

• накатка мелких резьб;
• обкатка цилиндрических поверхностей;
• холодная прокатка шариков и игл диаметром 1—6 мм для подшипников;
• горячая прокатка зубьев шестерён и звёздочек цепных передач.

Станы поперечно-клиновой прокатки — станы для изготовления ступенчатых валов, осей и других аналогичных им профилей круглого поперечного сечения, имеющих по длине участки цилиндрической, конической или сферической формы. Эти прокатываемые профили (как сплошные, так и полые) имеют максимальный диаметр 12—150 мм и максимальную длину 130—700 мм^5,10.

Основным оборудованием такого стана является инструментальная пара плоской формы, или валков, или валково-сегментного инструмента. При этом каждый компонент этой пары деформирующих инструментов имеет на своей плоской или цилиндрической поверхности одинаково спрофилированные клинообразные элементы (т. н. деформирующие клинья), расположенные вершинами друг к другу.

Лидерами в России по производству сортового проката являются (по данным на 2018 г.) ЕВРАЗ ЗСМК (16 %), Челябинский металлургический комбинат (11 %), ЕВРАЗ НТМК (10 %), Магнитогорский металлургический комбинат (9 %), НЛМК-Урал (8 %), Оскольский электрометаллургический и Череповецкий металлургический комбинаты (по 6 %)^[11].

За последние 5—7 лет на российских металлургических предприятиях были введены в эксплуатацию несколько сортопрокатных агрегатов. В частности, на заводе «Тулачермет-Сталь» (в настоящее время «Промсорт-Тула») начал работу прокатный комплекс из двух сортовых станов производительностью по 1 млн. т/год, совмещенных с проволочным блоком мощностью 500 тыс. т/год катанки из высокоуглеродистых и легированных марок стали.

На комбинате ЕВРАЗ НТМК в Нижнем Тагиле в 2018 г. введён в строй новый шаропрокатный стан мощностью 135 тыс. т/год шаров диаметром 60—120 мм пятой группы твёрдости. За этот же период на Оскольском электрометаллургическом комбинате проведена модернизация редукционно-калибровочного блока стана 350, а в 2023 г. введены в эксплуатацию два шаропрокатных стана для шаров диаметром 40—60 мм^[11][12].