Шаропрокатный стан

Опытные работы по разработке технологии прокатки шаров в СССР были начаты ещё в 1939 г. совместно ЦНИИТМАШ и Государственным подшипниковым заводом № 1 (ГПЗ-1), а в 1950 г. на этом заводе начал работать первый стан для прокатки заготовок подшипниковых шаров 1ʺ—2ʺ (25—50). В дальнейшем шаропрокатные станы для шаров диаметром до 80 мм были установлены на подшипниковых заводах в Куйбышеве (в настоящее время Самара), Вологде и Курске, а также на машиностроительных заводах в Катав-Ивановске Челябинской области и в Калинине (ныне Тверь). На базе технического задания ВНИИМЕТМАШ на Электростальском заводе тяжелого машиностроения (ЭЗТМ) было организовано серийное производство шаропрокатных станов, которые в 1959—1977 гг. были введены в эксплуатацию на металлургических заводах в Жданове (в настоящее время Мариуполь), Днепропетровске, Нижнем Тагиле, Новокузнецке, Гурьевске Кемеровской области и Коммунарске (ныне Алчевск)^[4].

Прутковая заготовка диаметром на 2—4 мм меньше диаметра прокатываемых шаров и длиной 3—6 м нагревается до температуры 950—1100 °С в газовой печи. При этом заготовки из калиброванных прутков из стали ШХ15 для прокатки шаров для подшипников нагревают в индукционной печи до более низкой температуры порядка 850 °С, чтобы избежать возможного осевого разрушения металла^[5].

Нагретая заготовка подаётся в валки, установленные с перекосом относительно этой заготовки. После захвата металла заготовка продвигается вперед и одновременно валки, вращающиеся в одну сторону, придают ей вращение. Наличие на бочках валков винтовых гребней (реборд) с постепенно увеличивающейся высотой обеспечивает своего рода разрезание прокатываемой заготовки на равные фрагменты, а последующее обжатие на участках бочек между гребнями формирует из этих фрагментов шары. Таким образом, профиль и размеры калибра соответствуют форме и размерам прокатываемого шара. Валки изготавливают из стали 35ХГСА, а их гребни упрочняются твёрдым сплавом Т15К66.Количество шаров, которые могут быть изготовлены во время одного оборота валков варьируется от 1 до 4 в зависимости от калибровки (бывают одно-, двух-, трёх- и четырёхзаходные калибры переменного шага). Производительность шаропрокатных станов находится в пределах 60—150 шаров в минуту.

После прокатки шары подвергают ускоренному охлаждению для предотвращения образования карбидной сетки, закалке в воде и окончательной термообработке. В зависимости от режима прокатки, небольшие перемычки, остающиеся у готовых шаров, либо закатываются в тело шаров, либо легко удаляются перед закалкой при перекатывании массы шаров во вращающемся барабане^[5][6][7][8].

Шаропрокатные станы конструкции ВНИИМЕТМАШ имеют градацию в зависимости от размера прокатываемых шаров, типовыми являются станы 15—30, 25—50, 40—80, 80—125. Конструкция непосредственно станов в основном одинаковая, отличия касаются только калибровки валков и характеристиками их приводов. На ряде металлургических заводов работают специализированные цехи, в который установлено по 2—3 разных шаропрокатных стана^[8].

В России в настоящее время шаропрокатные станы работают на нескольких металлургических заводах. Два таких стана (один из них — новейший полностью автоматизированный стан 60—120, введённый в строй в 2018 г.) эксплуатируются на комбинате ЕВРАЗ НТМК, здесь выпускаются мелющие шары диаметром 40—125 мм (180 тыс. т/год). Также два шаропрокатных стана есть на Гурьевском металлургическом заводе (Кемеровская обл.), на них производят шары диаметром 20—120 мм (200 тыс. т/год). В 2020 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК) был введён в эксплуатацию шаропрокатный стан для выпуска стальных шаров диаметром до 90 мм (проектная производительность 43 тыс. т/год). В 2023 г. на этом комбинате начался монтаж второго и третьего шаропрокатных станов конструкции ЭЗТМ для производства шаров диаметром 20, 40 и 60 мм с производительностью не менее 73 тыс. т/год.

Из других стран бывшего СССР, два стана 40—80 для выпуска шаров действовали на Днепровском металлургическом комбинате в Днепродзержинске (ныне Каменское). Кроме того, шаропрокатное производство есть на Узбекском металлургическом комбинате в Бекабаде, здесь работают два стана 40—80 и 80—120 для прокатки стальных шаров.

Существующие технологии изготовления шаров ковкой на прессах и молотах или литьём имеет ряд недостатков, связанных с большими отходами металла при последующей механической обработке (удаление облоя и заусенцев). В отличие от этих способов поперечно-винтовая прокатка шаров характеризуется большей экономичностью (экономия металла до 20 %) и производительностью (увеличение до 10 раз) за счет использования непрерывных автоматизированных процессов^[6]. Достигаемая точность прокатки шаров составляет 0,2—0,4 мм^[7].

Работы ВНИИМЕТМАШ и ЭЗТМ в области прокатки шаров были удостоены Государственной премии СССР в 1982 г.^[4].

Дальнейшее развитие шаропрокатных станов идёт по пути использования малоёмких калибровок валков и оптимизации изготовления винтовых калибров. Например, на заводе в Нижнем Тагиле проведены исследования по внедрению калибровок валков с непрерывно изменяющимся шагом и постоянной шириной реборды^[9]. Это позволяет расширить размерный сортамент действующих станов без их реконструкции, увеличить скорость прокатки и число заходов валков. В этой связи были разработаны современные шаропрокатные станы 15—30, 20—60, 40—80 и 80—125^[10].Еще одним направлением развития является производство мелющих шаров не из специализированных шаровых марок стали, а из отбракованных заготовок рельсовых сталей (например, стали К76Ф) или готовых рельсов^[11]. При должной термообработке такие шары соответствуют необходимым требованиям по твёрдости и ударной стойкости.