СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ ГОРЯЧЕКАТАНОЙ ПРОДУКЦИИ ИЗ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
METHOD OF SHEET HOT ROLLING FROM ALUMINIUM AND ITS ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве непосредственно из расплава горячекатаных лент из алюминия и его сплавов на литейно-прокатных агрегатах.
Известен способ производства горячекатаных лент из алюминия и его сплавов на станах горячей прокатки из слябов (см., например, Эрхард Германн. Непрерывное литье. Металлургиздат. Москва. 1961. Стр.143-145).
Недостатки известного способа:
- дискретность процесса, порождающая нестабильность свойств ленты по ее длине;
- наличие ограничений по массе рулона (или бунта).
Известен способ производства горячекатаных лент из алюминия и его сплавов, включающий непрерывное литье заготовки из расплава, горячую прокатку заготовки в готовую ленту и ее намотку в бунт (см., например, В.А.Чеботарев и В.А.Самсонов. Литейно-прокатные агрегаты для производства катанки, листов и лент из цветных металлов. «Тяжелое машиностроение» №5. 2007. Стр.20-27).
Достоинства известного способа:
- непрерывность процесса, обеспечивающая стабильность свойств ленты по ее длине;
- возможность получения бунтов ленты с практически неограниченной массой, определяемой лишь техническими возможностями литейно-прокатного агрегата.
Недостаток известного способа - возникновение рулонной кривизны ленты в процессе ее намотки на барабан моталки, которая приводит к неплоскостности ленты.
Техническим результатом изобретения является повышение качества продукции за счет получения сверхвысокой плоскостности (с коробоватостью не выше 0,1 мм на погонный метр) при прокатке горячекатаной ленты с последующим разделением ее на карточки или листы.
1
s1
к
к
s1
1
0
1
0
s0
0
0
s0
2
2
Данный технический результат достигают тем, что используется способ производства горячекатаной листовой продукции из алюминия и его сплавов, включающий непрерывное литье заготовки из расплава, горячую прокатку заготовки в подкат и затем в готовую ленту на нескольких клетях с измерением температуры раската по клетям, с приложением к раскату усилий его натяжения и с подачей на раскат охлаждающей жидкости, освобождение поверхности ленты от остатков охлаждающей жидкости, а также последующее разделение непрерывно движущейся горячекатаной ленты на отдельные карточки с укладкой их в пачки; при этом прокатку переднего конца заготовки осуществляют с нулевым задним натяжением раската на входе в последнюю клеть, а переднее натяжение готовой ленты на выходе из нее поддерживают равным T=0,67σ (вh) кгс, где в - ширина ленты в мм; h - толщина готовой ленты в мм; σ - предел текучести в кгс/мм на выходе из валков последней клети, которое создают тянущими роликами, прижатыми к ленте с удвоенным усилием Т; при выходе на установившийся процесс прокатки частоту вращения валков последней клети постепенно увеличивают, поднимая тем самым заднее натяжение раската до величины Т (при неизменном переднем натяжении T), которую можно определить как Т=0,67σ (вh) кгс, где h и σ- толщина в мм и предел текучести раската в кгс/мм на выходе из валков предпоследней клети; при этом нарастает величина момента прокатки в последней клети, которую определяют как
1
0
0
где M - момент прокатки в установившемся режиме прокатки, кгс·мм; М и Р - исходные значения момента прокатки в кгс·мм и усилия прокатки в кгс, замеренные при прокатке переднего конца ленты без заднего натяжения; D - диаметр бочки валка в мм.
1
0
После достижения значений переднего и заднего натяжений, равных соответственно Т и Т, соотношения частот вращения валков последней и предпоследней клетей, а также соотношения частот вращения валков последней клети и тянущих роликов поддерживают в дальнейшем постоянными с точностью не ниже чем ±(0,16…0,18)%; охлаждающую жидкость подают на ленту между валками последней клети и отжимными роликами на участке длиной S, которую регулируют продольным перемещением отжимных роликов до тех пор, пока температура ленты на выходе из них не установится в диапазоне 120…130°C, а в качестве охлаждающей используют жидкость с температурой кипения 100…110°C, в результате чего удаление ее участков с поверхности ленты происходит путем естественного выпаривания, без подвода тепла извне; разделение ленты на отдельные карточки осуществляют на ходу после прохождения ее через тянущие ролики.
Предлагаемый способ горячей прокатки ленты позволяет получать карточки со сверхвысокой плоскостностью благодаря следующим особенностям этого способа:
- за счет точного поддержания соотношения частот вращения валков последней и предпоследней клетей, а также оптимального соотношения частот вращения валков последней клети и тянущих роликов, переднее и заднее удельное натяжения раската в последней клети удается поднять до (2/3) от предела текучести ленты, что значительно больше, чем при обычной прокатке;
- за счет практически полного исключения коробоватости ленты при выходе ее из валков предпоследней клети (где идет подготовка качественного подката для последней клети), а затем и на выходе из валков последней клети;
- за счет порезки горячекатаной ленты, находящейся в прямолинейном состоянии, на отдельные карточки (без намотки ее в бунты), это исключает появление рулонной кривизны;
- за счет этого, в результате, показатели плоскостности горячекатаной ленты оказываются на один-два порядка выше, чем при обычной прокатке ленты.
Предлагаемый способ поясняется фиг.1, на которой изображена схема литейно-прокатного агрегата - вид на литейно-прокатный агрегат, осуществляющий способ, сбоку.
Емкость 1 для жидкого алюминия установлена перед литейной машиной 2 с приводом, который на фиг.1 условно не показан. За машиной 2 установлена первая клеть 3 для горячей прокатки и, далее, вторая клеть 4 для горячей прокатки с приводами, которые на фиг.1 условно не показаны; в дальнейшем изложении - это предпоследняя 3 и последняя 4 прокатные клети, поскольку прокатных клетей может быть не две, а три и даже больше.
На выходе из последней клети 4 последовательно установлены: тянущие ролики 5 с приводом (на фиг.1 условно не показан), гильотинные ножницы 6, пинч-ролики 7 и кассетное устройство 8 для укладки листов в пачки.
По всей линии литейно-прокатного агрегата, вплоть до ножниц 6, имеет место непрерывно-обрабатываемый раскат: непрерывнолитая заготовка 9, подкат 10 и готовая лента 11.
В промежутках между литейной машиной 2 и клетью 3, между клетями 3 и 4, а также между клетью 4 и тянущими роликами 5 установлены измерители температуры раската (пирометры) 12, 13, 14, 15 и 16, а в промежутке между клетью 4 и роликами 5 дополнительно установлен коллектор 17.
o
к
1
Расплавленный алюминий из емкости 1 подают в литейную машину 2, на валках которой формируется непрерывно литая заготовка 9. После завершения процесса кристаллизации заготовка 9 в виде твердого тела поступает в предпоследнюю клеть 3, где из заготовки 9 формируется подкат 10, имеющий толщину h. Последний в горячем состоянии поступает в последнюю клеть 4, из которой выходит в виде готовой ленты 11, имеющей толщину h, под натяжением Т, которое создают тянущие ролики 5.
Готовая лента 11, имеющая прямолинейную форму в продольном направлении, поступает в летучие гильотинные ножницы 6, в которых на ходу происходит разделение ленты 11 на отдельные листы (карточки) 18. Отделяемые от непрерывно-прокатываемой ленты 11 они пинч-роликами 7 поочередно подаются в кассетное устройство 8, где их укладывают в пачку.
0
0
0
1
В начале процесса разливки-прокатки, т.е. на переднем конце раската, заднее натяжение Т в последней клети 4 поддерживают близким к нулю. Это необходимо для того, чтобы иметь возможность экспериментально зафиксировать исходные значения усилия прокатки Р и крутящего момента Мна валках последней клети 4, при этом переднему натяжению придают с самого начала рабочее значение Т.
0
so
0
so
0
Затем наращивают скорость вращения валков последней клети при неизменной скорости вращения валков предпоследней клети 3 до тех пор, пока заднее натяжение возрастет от нуля до величины Т=0,67σ(в·h), где σ и h - предел текучести раската и его толщина на выходе из валков клети 3; в - ширина раската.
0
1
Определяют величину Т косвенно, по нарастанию крутящего момента на валке последней клети 4; наращивание скорости вращения валков этой клети прекращают при достижении моментом величины M, которую определяют на приведенной ниже формуле (7).
1
1
Переднее натяжение T создают приводом тянущих роликов 5 благодаря их прижатию к ленте 11 с усилием N, равным удвоенному натяжению Т.
0
0
Предлагаемый способ основан на процессе правки подката 10 усилием растяжения Т, которое развивают на участке между клетями 3 и 4. Во избежание обрыва подката усилие Т контролируют не по его величине, а по величине пластической деформации подката, которую поддерживают с очень высокой точностью. С этой целью соотношения частот вращения валков клетей 3 и 4 поддерживают постоянными с точностью не ниже чем ±(0,16…0,18)% каждое. Аналогичная картина имеет место на участке между клетью 4 и роликами 5.
Охлаждающую жидкость на прокатанную ленту 11 подают из коллектора 17. Первичное удаление этой жидкости с поверхности готовой ленты осуществляют за счет отжима ее тянущими роликами 5, а вторичное - путем естественного выпаривания жидкости с последующей просушкой ленты за счет внутреннего тепла, содержащегося в ленте 11, т.е. без дополнительного подвода тепла из вне.
Для этой цели температуру ленты на выходе из роликов 5 поддерживают в диапазоне 120…130°C. При более высокой температуре произойдет разложение резины на поверхности гуммированных роликов 5. При более низкой температуре запаса тепла в ленте 11 окажется недостаточным для естественного выпаривания и просушивания ленты 11 после выхода ее из роликов 5.
к
А поскольку скорость прокатки в клети 4 и толщина h готовой ленты 11 изменяются от заказа к заказу, то должна меняться и продолжительность охлаждения ленты. Для этой цели меняют длину участка «S», ограниченного с задней стороны валками клети 4, а с передней - роликами 5; именно на длине указанного участка и подается на ленту 11 охлаждающая жидкость.
Для изменения длины «S» тянущие ролики 5 перемещают вдоль литейно-прокатного агрегата в продольном направлении.
С целью более полного выпаривания охлаждающей жидкости с поверхности готовой ленты температура кипения этой жидкости должна находиться в диапазоне 100…110°C.
0
к
0
1
0
0
0
0
1
В приведенном ниже численном примере осуществления предлагаемого способа подкат 10 перед последней клетью 4 имеет толщину h=4 мм, а готовая лента 11 и отдельные листы 18 - толщину h=2 мм; диаметр валков прокатных клетей 3 и 4 равен D=300 мм (см. фиг.1). Натяжение ленты 11 на выходе из этой клети равны соответственно Т=1333 кгс и Т=950 кгс; усилия прокатки в клети 4: при Т=0, Р=60000 кгс, а при Т=1333 кгс, Р=56500 кгс соответственно и крутящие моменты на валках клети 4 равны М=860000 кгс·мм и M=970000 кгс·мм; усилие прижатия роликов 5 к ленте 11 равно N=2800 кгс.
p
Температура раската t:
Под пирометром №
12
13
14
15
16
t<sub>p</sub>, °C
t<sub>2</sub>=500
t<sub>3</sub>=400
t<sub>3</sub>=350
t<sub>4</sub>=300
t<sub>5</sub>=125
4
Средняя длина участка орошения ленты 11 равна S=2,5 м. Скорость прокатки в клети 4 равна V=0,067 м/с. Ширина ленты 11 равна в=200 мм.
1
0
1
Получение требуемого переднего натяжения T обеспечивается созданием соответствующего крутящего момента на приводных шейках тянущих роликов и никаких проблем не вызывает, а для получения требуемого заднего натяжения Т приходится оперировать с моментом прокатки М в последней клети.
0
0
Для этого, как указывалось, вначале измеряют усилие Р и момент прокатки М, которые имеют место на переднем конце ленты при прокатке в последней клети без заднего натяжения. Затем находят экспериментальные значения:
- среднего удельного давления в очаге деформации без заднего натяжения:
p
где F=(в·l) - площадь контакта валка с прокатываемой лентой;
l - длина дуги захвата;
коэффициента плеча приложения усилия прокатки
Среднее удельное давление в очаге деформации с задним натяжением:
Момент прокатки в установившемся режиме:
Окончательно получаем рабочую формулу:
где
.
Рассмотрим пример исполнения.
Исходные данные:
cp
- средняя температура ленты в валках клети 4 t=325°C;
- скорость прокатки v=0,067 м/с;
- диаметр валков D=300 мм;
0
- входная толщина ленты h=4 мм;
к
- выходная толщина ленты h=2 мм;
- материал ленты: сплав АМЦ;
s0
s1
2
2
- пределы текучести ленты на выходе из предпоследней клети σ=2 кгс/мм (t=400°C) и на выходе из последней клети σ=3,5 кгс/мм (t=300°C);
0д
2
- базовое удельное давление σ=4,8 кгс/мм.
Расчет исходных усилия и момента прокатки:
c
t
ε
u
- суммарный термомеханический коэффициент k=k·k·k=1,24·1,58·0,87=1,7;
д
0д
c
2
- сопротивление деформации k=σ·k=4,8·1,7=8,2 кгс/мм;
- длина дуги захвата ;
σ
- коэффициент напряженного состояния n=2,16;
- исходное усилие прокатки:
0
д
σ
6
P=k·n·l·в=8,2·2,16·17·200=0,06·10 кгс
- исходный момент прокатки:
без переднего натяжения
0
0
6
6
(М)'=2Pψ·l=2·0,06·10·0,5·17=10 кгс·мм
с передним натяжением
0
0
s1
к
6
6
M=(M)'-0,67σ(hв)(D/2)=10-0,67·3,5(2·200)(300/2)=0,86·10 кгс·мм
0
0
6
6
Значения исходного усилия Р=0,06-10 кгс и исходного момента прокатки М=0,86·10 кгс·мм условно принимаем в качестве экспериментально измеренных параметров процесса прокатки без заднего натяжения.
По формуле (1) рассчитаем момент прокатки при установившемся процессе прокатки:
0
к
0
6
Повторим расчет, изменив только толщины ленты: h=8 мм; h=6 мм; М=0,58·10 кгс·мм. Все остальные данные те же. Тогда
к
1
0
к
0
0
Как видим, с увеличением втрое толщины готовой ленты h степень нарастания момента прокатки с (M/M-1)100=(0,97/0,86-1)100=12,5% выросла до (0,87/0,58-1)100=50%, т.е. в 50/12,5=4 раза. Таким образом, при промежуточной толщине готовой ленты, равной h=3 мм, степень нарастания момента прокатки составит 22%; это достаточно хороший показатель чувствительности процесса регулирования при подъеме натяжения раската между предпоследней и последней клетями от нуля и до величины Т=0,67·2(5·200)=1333 кгс, где толщина на входе в последнюю клеть равна h=5 мм.
При переходе на стационарный процесс прокатки, во избежание обрывов раската между предпоследней и последней клетями, а также между последней клетью и тянущими роликами, соотношения частоты вращения валков и тянущих роликов поддерживают постоянными с погрешностью не ниже чем ±(0,16…0,18%). Такой жесткий диапазон определен исходя из практики работы правильно-растяжных машин, когда пластическое удлинение правящейся ленты на 1,6…1,8% еще не приводит к обрывам ленты, а точность поддержания этой величины должна быть на порядок выше, т.е. ±(0,16…0,18)%.
При расчете усилий прокатки принимают, что из удельного давления прокатки, полученной без заднего натяжения, вычитают 2/3 от заднего удельного натяжения (большую величину назначать нельзя, т.к. это приведет к утяжке ленты по ее ширине) и получают удельное давление с учетом натяжения; влиянием переднего удельного натяжения ленты на удельное давление прокатки, как показал опыт, можно пренебречь.
После выхода из валков последней клети лента проходит через отжимные ролики, расположенные на расстоянии S от валков. На этом участке ленту обильно орошают охлаждающей жидкостью - водной эмульсией с концентрацией 1,5…2% в ней эмульсола «Б».
Длину участка орошения S можно изменять за счет передвижения отжимных роликов вдоль ленты: от валков или к валкам. На этом участке температуру ленты с 300°С следует понизить до 120…130°С, т.е. в среднем на 175°С.
2
При выборе коэффициента теплоотдачи для передачи тепла от ленты к охлаждающей жидкости можно принять, что для жидкости на паровой подушке он равен α=100 ккал/(м·час·град) - см. книгу A.M.Литвина. Теоретические основы теплотехники. «Энергия». Москва-Ленинград. 1964 стр.236…238.
жидк.
стенки
жидк.
стенки
час
час
p
p
2
Плотность теплового потока при теплоотдаче от ленты к жидкости определяют как q=α(t-t). При t=60°С и t=210°С (средней) имеем q=100(210-60)=15000 ккал/(м·час). При скорости V=4 м/мин лента проходит за час путь L=4·60=240 метров; масса ленты такой длины G=0,003·0,2·240·2,7=0,39 тонны=390 кг. При такой массе и требуемом перепаде температур Δt=175°С количество подлежащего удалению тепла составит Q=G·Δt·C=390·175·0,11=7500 ккал, где C=0,11 - это удельная теплоемкость алюминия.
с
с
2
Необходимая площадь соприкосновения ленты с охлаждающей жидкостью: F=Q/q=7500/15000=0,5 м. Такую площадь соприкосновения можно обеспечить на длине ленты, равной S=F/в=0,5/0,2=2,5 м; именно на таком расстоянии от валков и должны находиться отжимные ролики; причем для оперативного подрегулирования температуры ленты на каждый градус температуры ролики необходимо передвигать примерно на 15 мм, что говорит о хорошей разрешающей способности предложенного способа регулирования температуры ленты.
1
p
сп
Для получения усилия переднего натяжения, равного Т=0,67·3,5·(3·200)=1400 кгс, усилие прижима роликов к ленте должно составлять N=2·1400=2800 кгс. Тогда на 1 мм ширины ленты в=200 мм приходится погонное усилие 14 кгс/мм. При диаметре ролика D=500 мм, облицованного рубашкой из термостойкой резины, упругое сплющивание этой рубашки составит δ=0,5 мм. Половина ширины площадки сплющивания равна , а полная ширина этой площадки равна 2в=22 мм.
кон
2
2
Тогда среднее контактное давление равно Р=14/22=0,64 кгс/мм или 64 кгс/см, что вполне допустимо для твердых сортов резины.
Проверка запаса по силам трения.
тр
1
тр
1
Коэффициент трения резины по алюминию f=0,35; сила трения на обоих тянущих роликах T=2Nf=2·2800·0,35=1960 кгс или примерно 2000 кгс, а нужно только T=1400 кгс; т.е. искомый запас составляет T/T=2000/1400=1,43 или 43%, что вполне достаточно.
Каждый отрезанный от ленты 11 лист 18 должен лечь в кассету 8 с полностью осушенной поверхностью. С этой целью проводится выпаривание остатков охлаждающей жидкости с последующим высушиванием поверхности. Для этой цели ленту на участке орошения охлаждают до 120…130°C, что превышает температуру кипения охлаждающей жидкости, равную 100…110°C. Тем самым выпаривание и высушивание поверхности ленты на участке от тянущих роликов 5 до ножниц 6 происходит за счет внутреннего тепла, оставшегося в ленте после прохождения ею участка орошения (т.е. без подвода тепла из вне).
0
0
1
Проведенными расчетами установлено, что методика создания заднего натяжения Т перед валками последней клети путем ускорения их вращения является надежной. Надежным является и процесс регулирования величины Т через регулирование момента прокатки M.
Все это является хорошей предпосылкой для получения карточек (листов) со сверхвысокой плоскостностью путем горячей прокатки.
Таким образом, благодаря использованию предложенного литейно-прокатного агрегата повышается качество продукции за счет получения ее со сверхвысокой плоскостностью (с коробоватостью не выше 0,1 мм на погонный метр), т.е. на один-два порядка, чем при обычной прокатке ленты в условиях подготовки в предпоследней клети качественного подката для последней клети.