Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Впервые прокатку железа в валках с ручьями осуществил француз Флюер. Для этого он применил двухвалковый реверсный прокатный стан с ручьями ромбической и овальной формы. Кованая заготовка подвергалась шестикратной прокатке при трех промежуточных нагревах. В первый ручей ромбической формы задавалась заготовка овального сечения, затем она пропускалась через ручей овальной формы. Потом она вновь нагревалась и прокатывалась. При заключительной прокатке металл поступал в калибр круглой формы. В результате получался пруток диаметром 6,3 мм. За 24 часа 6 рабочих и несколько учеников прокатывали более 2720 кг прутков. За то же время на рычажно-клещевых станах изготавливали около 230 кг.
В XIX в. прокатка опередила по масштабам вырабатываемой продукции кузнечную обработку металлов. Тогда выпускались катаные железные рельсы, различные профили, полосовой и листовой металл, трубы и проволока. Все применявшиеся в этот период прокатные станы относились к одной из следующих групп: обжимные, заготовочные, сортовые, листовые и полосовые, трубопрокатные и деталепрокатные.
За 70 лет XIX в. были заложены основы современного прокатного машиностроения. Получили распространение прокатные станы с горизонтальными и вертикальными валками, появились трехвалковые станы.
В XIX в. было разработано несколько новых типов прокатных станов, отличающихся друг от друга расположением рабочих клетей. В их числе линейные, сдвоенные, ступенчатые, непрерывные и полунепрерывные станы.
На рубеже XVIII–XIX вв. прокатный стан сыграл важную роль в широком распространении нового способа получения сварочного железа – пудлингования.
При пудлинговании накатанная в печи крица после проковки под молотом обжималась в валках прокатного стана, превращаясь в полосовое железо. При прокатке металл уплотнялся и освобождался от шлаков. Применение прокатки значительно сократило время обработки крицы.
Для обжатия криц применялись также так называемые «качающиеся» станы, изобретенные английским металлургом Дж. Вилкинсоном в 1792 году. Они стали прообразом реверсивных прокатных станов – блюмингов и слябингов.
Двухвалковые прокатные станы в 1828 г. стали использоваться для прокатки рельсов в Бедлингтоне (Англия). Они делались из пакетов, средняя часть которых собиралась из сырого железа, а поверхность катания – из твердого железа. На подошву пакета шло волокнистое катаное железо. Прокатку производили обжимными и сварочными ручьями. Затем рельс пропускали через ручьи чистового стана.
До 40-х годов XIX в. для привода прокатных станов наряду с паровым двигателем применялось гидравлическое колесо. Каждый валок приводился во вращение отдельным гидравлическим двигателем. Водяные колеса располагались по обе стороны рабочей клети.
Однако более прогрессивной была зубчатая передача. Она имела ряд преимуществ: небольшие габариты, высокий КПД, долговечность и надежность.
В конце XVIII в. появились линейные прокатные станы, состоявшие из двух или трех расположенных рядом рабочих клетей (дуо). Верхние валки первой и второй рабочих клетей жестко соединялись друг с другом и с верхним зубчатым колесом шестеренной клети с помощью шпинделей. Таким же образом нижние валки соединялись с нижним зубчатым колесом шестеренной клети, вал которого был связан с двигателем.
Эти станы применялись для прокатки криц. Крица пропускалась через первый ручей, затем передавалась на противоположную сторону клети и пропускалась во второй ручей. Аналогично металл пропускался и в остальных ручьях. При каждой подаче заготовку поворачивали на 90°. Число пропусков зависело от размера изделия.
Диаметр валков таких станов колебался от 400 до 600 мм, длина – от 1200 до 1600 мм, скорость вращения – от 25 до 40 об/мин. На каждом валке было 7–12 ручьев. Для удаления жидких шлаков между поверхностями валков делался зазор, а ручьи имели закругленную форму. Клеть с квадратными ручьями была обжимной, с прямоугольными – чистовой. Прокатанные полосы разрезали, сортировали в пакеты и сваривали в заготовки для дальнейшей обработки.
В линейном стане прокатные валки обеих клетей вращаются с одинаковой скоростью. Эта система называлась английской. Ее основной недостаток – большие потери времени при передаче металла от одной клети в другую и невозможность изменения скорости прокатки с увеличением длины изделия. Он был устранен французом Ф. Томе, который в 1838 г. поставил обжимную клеть перед чистовой линией, состоящей из нескольких клетей. Валки чистовой клети вращались с повышенной скоростью, что увеличивало производительность стана. Такая схема получила название французской.
На основе французской системы была создана так называемая ступенчатая система, при которой в стане было нескольких линий. Такую систему назвали немецкой. Ее производительность возросла за счет увеличения скорости прокатки на каждой ступени. Ступенчатая система стала наиболее эффективной.
Увеличение заготовок и появление крупных слитков литой стали требовали создания более мощных и совершенных прокатных станов.
Идею создания трехвалкового стана предложил в XVIII в. шведский металлург X. Полем. Такой стан позволял пропускать металл в двух направлениях без реверсирования вращения валков. Трехвалковые станы появились в начале XIX в. и применялись для сортовой прокатки. Позже на них изготавливали крупные профили, листы и полосы.
В 1857 г. американец Джон Фриц создал мощный трио-стан для прокатки рельсов, снабженный приспособлениями для подачи металла в валки и механизмами для передвижения его в агрегате. На нем прокатывали слитки стали массой до 3–5 тонн.
Американец А. Голлей создал прокатный трио-стан с неподвижными верхним и нижним валками. В 1871 г. он сконструировал трио-стан (блюминг) для прокатки рельсов и сортового металла.
Для обработки крупных заготовок и слитков требовались надежные способы реверсирования валков. Первые конструкции таких станов имели реверсивные передачи и муфты, управляющиеся сначала вручную, а позднее гидравлическими устройствами. Позже стали реверсировать сам двигатель.
В 1866 г. Делен применил для листопрокатного стана дуореверсивную сдвоенную паровую машину. В 1867 г. в Англии инженер Дж. Рамсботтом применил такую же машину для привода валков дуопрокатного стана.
В универсальном прокатном стане, наряду с парой горизонтальных валков, есть пара вертикальных валков для обжатия металла с боков. Он применяется в том случае, когда кантовка изделия затруднена.
Такой стан был изобретен в 1848 г. директором сталелитейного завода в Вестфалии (Германия) Деленом. Он позволил изменять в широких пределах размеры изделий без замены валков, что обусловило его более высокую производительность и экономичность. На нем изготовляли различные изделия, в том числе полосы и рельсы. Вначале прокатку рельсов осуществляли на прокатных станах с одной парой обжимных и одной парой чистовых валков. В 1868 г. Маррель предложил вести черновую прокатку на реверсивном стане с изменяемым давлением. Для этого валки раздвигались и захватывали поданную в них болванку. Верхний валок опускали после каждого пропуска рельса пока он не сходился вплотную с нижним. В процессе прокатки рельс обжимался двумя вертикальными валками. Затем его пропускали через чистовые ручьи без вертикальных валков.
В 1857 г. англичанин Г. Бессемер запатентовал бесслитковую прокатку. Она позволила получать металлические листы путем заливки жидкого металла в зазор между вращающимися в разные стороны горизонтальными валками. На такой установке впервые был получен стальной лист толщиной 1 мм и длиной 1,2 м. В ней были совмещены литье, кристаллизация и деформация металла.
Ученых и изобретателей давно занимала идея создания прокатного стана непрерывного действия. Еще в 1775 г. механик Нижнетагильского металлургического завода Е. Г. Кузнецов создал модель непрерывного прокатного стана, состоявшего из двух пар горизонтальных валков. В процессе прокатки заготовка автоматически передавалась из первой пары валков во вторую. В 1778 г. изобретатель построил действующий стан. Однако запустить его не позволила недостаточная мощность водяного колеса.
В 1798 г. непрерывный прокатный стан с горизонтальными валками предложил англичанин У. Хезлидайн. Стан состоял из трех прокатных клетей дуо, связанных друг с другом направляющими. По ним прокатываемая полоса передавалась из клети в клеть. Этот проект не был реализован.
В 1861 г. Ч. Уайль изобретел непрерывный прокатный стан. Он имел несколько прокатных клетей с попеременно чередующимися горизонтальными и вертикальными валками и служил для обжатия криц и заготовок из сварочного железа.
Непрерывный прокатный стан Дж. Бедсона был запатентован в 1862 г. Он состоял из нескольких пар вертикальных и горизонтальных валков (от 13 до 16), расположенных друг за другом на расстоянии, несколько меньшем длины прокатываемой полосы, что обеспечивало автоматическую подачу проката в валки. Попеременная горизонтальная и вертикальная расстановка валков не требовала поворота заготовки при перемещении из клети в клеть. Скорость валков возрастала с уменьшением длины полосы. Вместо 6 человек новый стан обслуживали рабочий и помощник.
