СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ И ШПУЛЯ ДЛЯ ЕЕ НАМОТКИ
METHOD OF PRODUCING ALUMINIUM FOIL AND FOIL WINDING SPOOL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению алюминиевой фольги при намотке ее в рулон на съемную шпулю в процессе прокатки.
Известны, по крайней мере, три способа изготовления алюминиевого раската, при которых раскат в процессе его прокатки наматывают непосредственно на барабан моталки.
В первом известном случае барабан моталки выполнен разжимным, для чего на его корпусе установлены два поворотных сегмента, называемых на практике «челюстями», и сопряженных между собою прямоугольными зубьями.
Указанный барабан моталки состоит из 3-х сегментов: один неподвижно соединен с корпусом барабана, остальные имеют возможность поворота относительно него (А.И.Целиков, В.В.Смирнов. Прокатные станы. - М.: Металлургиздат, 1958 г. Стр.304, рис.362).
Достоинством первого известного технического решения является исключительно простая конструкция барабана моталки, а к его недостаткам следует отнести то, что при разжатом барабане (т.е. в условиях, при которых и происходит намотка раската в рулон) между указанными выше зубьями «челюстей» образуются впадины, расположенные в шахматном порядке, Если при прокатке фольги намотать ее на барабан такой конструкции, то внутренние витки рулона неизбежно затекут в эти впадины между зубьями и, как следствие, сжать «челюсти» станет невозможным, сократить диаметр барабана не удастся, а следовательно, не удастся, и снять рулон с барабана моталки. Таким образом, первое известное техническое решение может быть использовано лишь при изготовлении раската более толстого, чем фольга, а конкретнее, при намотке алюминиевой полосы толще одного миллиметра.
Во втором известном техническом решении используют барабан моталки также разжимного типа, но более сложной конструкции: это барабан пирамидального типа с установленными на нем четырьмя (реже - тремя) сегментами; в разжатом состоянии барабана между сегментами неизбежно появление зазоров, в которые могут провалиться внутренние витки рулона; во избежание этого данные зазоры перекрывают выдвижные элементы, в результате чего барабан моталки в разжатом состоянии приобретает правильную цилиндрическую форму.
Такими моталками с барабанами пирамидального типа оснащен двадцативалковый стан 1200, прокатывающий фольгу толщиной до 0,1 мм из очень прочных сплавов (А.А.Королев. Механическое оборудование прокатных цехов. - М.: Металлургиздат,  1959 г. Стр.393, рис.299).
2
2
Достоинством второго известного технического решения является то, что оно исключает затекание внутренних витков рулона в неровности барабана и тем самым, ликвидирует недостаток первого известного технического решения, при этом недостатком является то, что уменьшить с его применением толщину раската существенно не удается - уменьшается она не более чем вдвое, т.е. до 0,5 мм. Таким образом в качестве раската имеем тоже полосу, но более тонкую, а наматывать фольгу на барабан такой конструкции также не представляется возможным. Это связано с тем, что при уменьшении толщины раската интенсивно нарастают необходимые удельные натяжения, сопровождающиеся увеличением усилия охвата барабана моталки наматываемым рулоном; поэтому возникают затруднения при снятии рулона с барабана, а в аварийных случаях давление масла в системе «сжатия-разжатия» барабана приходится повышать с рабочих значений (обычно это 100 кгс/см) до аварийных значений (300 кгс/см), развиваемых специальными мультипликаторами.
Все это существенно усложняет конструкцию моталки; однако и при этом не гарантируется нормальный процесс снятия рулона с барабана моталки, кроме этого, в соответствии с принятой технологией изготовления барабанов пирамидального типа их протачивают на готовый размер в сжатом состоянии и поэтому, если надеть на барабан съемную шпулю, то при разжатии барабана она теряет свою цилиндрическую форму.
Третье известное техническое решение отличается от двух предыдущих тем, что в нем используют барабан иного типа - неразжимного; это сплошной цельнометаллический съемный барабан. По окончании процесса прокатки рулон извлекают из прокатного стана вместе с барабаном. Затем его передают на специализированный агрегат, где фольгу со сплошного неразжимного барабана перематывают на второй барабан, но уже разжимной. Перемотку ведут с натяжением фольги, которое в несколько раз ниже, чем в процессе прокатки. В результате усилие охвата рулоном разжимного барабана резко уменьшается; поэтому проблем при сжатии барабана и снятии с него рулона практически не бывает. Таким образом, в третьем известном техническом решении отсутствуют недостатки, присущие второму известному техническому решению.
К недостаткам третьего технического решения следует отнести то, что на практике (такое решение реализовано на 20-валковых станах типа «700 Э»; год внедрения - 1980), необходимое количество съемных барабанов приближается к количеству прокатываемых рулонов. При достаточно широком сортаменте выпускаемой продукции общая масса всего парка съемных барабанов соизмерима с массой самого прокатного стана, что неизбежно отражается на себестоимости и конкурентоспособности фольги.
Поэтому наиболее логичным решением является четвертое известное техническое решение, при котором происходит замена тяжеловесных сплошных съемных барабанов полыми элементами в виде съемных шпуль, надеваемых на консольный барабан моталки (как вариант - надеваемых на двусторонние укороченные барабаны).
Отожженная заготовка толщиной 0,7 мм из алюминия и шириной до 1060 мм поступает на перемоточную машину в рулонах, где ее перематывают на шпулю. В таком виде рулон поступает в фольгопрокатный стан, где его прокатывают со скоростью до 17 м/с (С.Н.Черняк, В.И.Карасевич. Производство фольги. - М.: Металлургиздат,  1957 г., стр.62) Аналогичное техническое решение было применено на 6-валковом стане «1350» конструкции ВНИИМЕТМАШ, который вошел в строй в 1991 г.
Четвертое известное техническое решение принимаем за прототип, в соответствии с которым прокатку фольги с передним натяжением и намотку в рулон ведут на съемную шпулю, надетую на консольный разжимной барабан моталки, причем толщину стенки шпули выбирают таким образом, чтобы сжимающие напряжения в указанной стенке не превышали 70% от предела текучести для выбранного материала шпули и, при этом, расчет ведется на максимально возможный диаметр рулона, т.е. речь идет об использовании универсального типа шпули с максимальной толщиной ее стенки для всего сортамента продукции стана.
Достоинством последнего технического решения является то, что переход со сплошных съемных барабанов на полые съемные шпули сопровождается снижением общей массы парка съемных элементов в 2,5…3 раза.
Недостатком технического решения-прототипа является то, что в новых экономических условиях существенную долю сортамента стана составляют рулоны фольги с большой шириной. И использование для них универсальных шпуль, рассчитанных на минимальную ширину (при неизменной массе рулона) приведет к недоиспользованию их и, как следствие, к неоправданному завышению суммарной массы всего парка шпуль.
Техническим результатом изобретения является существенное (примерно в 6 раз) снижение расхода шпуль как сменного инструмента прокатного стана и, как следствие, уменьшение стоимости парка шпуль, снижение себестоимости выпускаемой продукции и повышение ее конкурентоспособности.
Технический результат достигается тем, что используют способ изготовления алюминиевой фольги, включающий прокатку заготовки в валках прокатного стана с созданием переднего натяжения моталкой и намотку фольги в рулон на съемную шпулю барабана моталки в процессе прокатки, причем для намотки фольги используют набор шпуль, изготовленный с различной толщиной стенки по типоразмерам, причем намотку фольги осуществляют на выбранную из упомянутого набора шпулю с толщиной стенки определенной по зависимости:
S - толщина стенки шпули, мм;
P
D - наружный диаметр рулона фольги после окончания процесса его намотки, мм;
Б
D - диаметр барабана моталки в разжатом состоянии, мм;
просевшие по диаметру после пластической деформации шпули из упомянутого набора шпуль перетачивают по толщине стенки с переводом их от последнего типоразмера к первому, а переднее натяжение наматываемой фольги осуществляют регулированием давления масла в системе управления «сжимом-разжимом» барабана моталки.
4
П
П
П
2
Например, после пластической просадки шпули по диаметру, происшедшей в процессе ее эксплуатации, на величину 6…8 мм, шпулю подвергают переточке, после чего из пятого типоразмера ее переводят в четвертый с толщиной стенки S=(4-1)10+40=70 мм; по мере дальнейшей ее просадки шпулю вторично перетачивают и переводят в третий типоразмер с толщиной стенки 60 мм и т.д. вплоть до первого типоразмера. Давление масла в системе «сжима-разжима» барабана моталки рассчитывают по формуле р=KS, где р - давление масла в кгс/см, К - коэффициент пропорциональности или конструктивная константа для каждого данного стана (К=1,0…1,5);
S - параметр, который определяют по формуле (1).
Съемная шпуля выполнена в виде стальной цилиндрической втулки, изготовленной из высококачественной кованой углеродистой конструкционной стали, причем для шпули выбирают такую марку стали, чтобы предел ее текучести в рабочем состоянии был в 3,5…4 раза выше, чем предел текучести прокатываемой и наматываемой фольги.
Предложенное техническое решение показано на чертежах, где
- на фиг.1 приведена схема прокатного стана, реализующего предложенный способ; стрелкой показано направление прокатки;
- на фиг.2 изображено продольное сечение по барабану левой (наматывающей) моталки: сечение А-А на фиг.1; выполнено в масштабе при ширине рулона, равной 1000 мм и массе рулона, равной 4 тонны;
i
i
pi
p
1
2
3
4
5
- на фиг.3 указана схема изменений толщины шпули S и ширины рулона b в зависимости от изменений его внешнего диаметра D при неизменной массе рулона G=4 тн, где b=1700 мм, b=1300 мм, b=1000 мм, b=800 мм, b=670 мм;
3
2
- на фиг.4 приведено продольное сечение шпули, имеющей, например, толщину стенки S=60 мм (третий типоразмер) после ее проседания по диаметру; штриховыми линиями показана переточка шпули на толщину S=50 мм с последующим переводом ее во второй типоразмер.
Процесс прокатки организован следующим образом. На барабан 1 правой (разматывающей) моталки (фиг.1), сжатый до минимального диаметра, надевают рулон заготовки 2. Разжимают барабан и тем самым фиксируют рулон от проворота на барабане. Вращая барабан 1, передний конец заготовки 3 задают в валки прокатного стана 4.
На барабан 5 левой (наматывающей) моталки, сжатый до минимального диаметра, надевают съемную шпулю 6. Разжимают барабан и тем самым фиксируют шпулю от проворота на барабане.
Возобновляют вращение барабана 1, и передний конец заготовки 3 захлестывают (захлестыватель на фиг.1 условно не показан) на шпулю 6. Зажимают заготовку 3 валками стана 4 и создают заднее натяжение правой моталкой 1 и переднее натяжение левой моталкой 5.
Включают вращение валков прокатного стана, согласованное с приводами левой и правой моталок. Начинают прокатку фольги с передним натяжением и намотку ее в рулон на съемную шпулю 6, надетую на консольный барабан 5 левой моталки.
Дальнейшее рассмотрение предложенного способа, с целью его более предметного рассмотрения, продолжим на численном примере.
P
Б
ш
p
Наматываемый рулон 7 с максимальной массой 4 т имеет следующие параметры: ширина b=1000 мм и максимальный наружный диаметр D=1600 мм. Он наматывается на съемную шпулю 6, имеющую следующие размеры: внутренний диаметр, равный диаметру барабана в разжатом состоянии D=700 мм и длину L=1800 мм. Толщина стенки шпули S зависит от наружного диаметра рулона D и определяется по формуле
Данная зависимость получена решением следующей системы уравнений:
Номер Формулы
Наименование функции
Математическое выражение
(2)
Максимальное удельное натяжение, кгс/мм<sup>2</sup>
T<sub>max</sub>=(2/3)T<sub>SФ</sub>
(3)
Суммарное усилие растяжения, действующее в продольном сечении рулона фольги, кгс
N<sub>P</sub>=K<sub>1</sub>(D<sub>p</sub>-D<sub>ш</sub>)b(2/3)T<sub>SФ</sub>
(4)
Суммарное усилие сжатия в теле шпули, снятой с барабана моталки, кгс
N<sub>сж</sub>=(D<sub>ш</sub>-D<sub>Б</sub>)b[T<sub>сж</sub>]
(5)
Допустимое напряжение в теле шпули, кгс/мм<sup>2</sup>
[Т<sub>сж</sub>]=0,7Т<sub>Sш</sub>
(6)
Требуемая толщина стенки шпули, мм
S=0,5(D<sub>ш</sub>-D<sub>Б</sub>)
(7)
Равенство усилий растяжения в рулоне и сжатия в шпуле
N<sub>p</sub>=N<sub>сж</sub>
Sф
Sш
1
p
где Т и T -пределы текучести нагартованой фольги и материала шпули, кгс/мм, соответственно; K=0,5 - степень снижения усилия N за счет того, что при намотке последующих витков натяжение в предыдущих витках ослабевает; b - ширина фольги, мм.
Решая систему уравнений с (1) по (7), получаем приведенное выше выражение (1) при условии, что предел текучести материала фольги и допустимое напряжение сжатия шпули соотносятся как
Для данного конкретного случая выражение (1) превращается в рабочую формулу
ш
Для шпуль, составляющих парк шпуль и имеющих длину L=1800 мм; масса всего парка шпуль равна 190 т; парк разбит на 5 типоразмеров по 38 т в каждом - см. нижеприведенную таблицу (получено по рабочей формуле (9) с некоторым округлением).
№ комплектов шпуль
Толщина стенки шпули
Масса одной шпули
Масса комплекта шпуль, т
Наружный диаметр рулона
Количество шпуль в комплекте
1
40
1,30
38
1300
29
2
50
1,65
38
1450
23
3
60
2,00
38
1600
19
4
70
2,35
38
1750
16
5
80
2,75
38
1900
14
Итого
190 тн
Всего
101 шт.
Результаты из приведенной таблицы приведены на фиг.3, а в том случае, если бы весь парк был скомплектован из универсальных шпуль, которые имеют одинаковую (максимальную) толщину, равную 80 мм, то суммарная масса парка шпуль составила бы 101×2,75=278 т.Таким образом, разбивка парка шпуль на типоразмеры позволила сэкономить при изготовлении шпуль 88 т металла. При средней стоимости 1 тонны кованых шпуль, равной 0,5 млн рублей, удалось бы сэкономить 44 млн рублей - это так называемая первоначальная экономия.
Однако имеет место и текущая (дополнительная) экономия на систематической переточке шпуль, что также является результатом разбивки парка шпуль на комплекты в зависимости от толщины их стенок.
Шпули в процессе эксплуатации проседают по середине в результате их пластической деформации; как показала практика, за 3…4 года диаметр каждой шпули уменьшается в среднем на z=6…8 мм, см. фиг.4, после чего шпуля становится непригодной для дальнейшей эксплуатации и подлежит отбраковке. Следует отметить, что упомянутая просадка шпуль происходит в основном во время охлаждения рулонов на складе.
Упомянутая дополнительная экономия возникает за счет того, что просевшую шпулю, вместо отбраковки, перетачивают по диаметру, например, с толщины 80 мм до 70 мм и, тем самым, появляется возможность перевести ее из типоразмера №5 в типоразмер №4. Далее, эту же шпулю после повторного ее проседания вновь перетачивают до толщины 60 мм и переводят в типоразмер №3, затем, по аналогии, в типоразмер №2 и окончательно - в типоразмер №1.
Итого для каждой шпули имеем по 4 переточки; первый типоразмер в этой операции не участвует, поэтому переточкам подвергаются шпули общей массой 190-38=152 т и общей стоимостью 152×4×0,5=306 млн рублей, где «4» - количество переточек. При этом долговечность шпули возростает с указанных выше 3…6 лет до 12…16 лет, или в 4 раза. В этом и заключается дополнительная экономия.
А всего благодаря первоначальной и текущей (дополнительной) экономии можно сэкономить 44+306=350 млн рублей. Указанная экономия может составлять до 3…5% стоимости годовой продукции современного прокатного стана.
2
2
Для получения этой экономии все шпули необходимо выполнить из высококачественной углеродистой конструкционной стали, предел текучести которой должен превышать предел текучести материала прокатываемой фольги в среднем в 2,67/0,7=3,8 раза - см. приведенные выше зависимости (5) и (8). В нашем случае нагартованная алюминиевая фольга имеет предел текучести около 10 кгс/мм; тогда предел текучести материала шпули должен быть не менее 38 кгс/мм. Этому требованию удовлетворяет кованая углеродистая конструкционная сталь марки 45.
P
B
И еще одно достоинство предложенного технического решения состоит в следующем. Выше было сказано, что при разжатии пирамидального барабана надетая на него съемная шпуля теряет свою цилиндрическую форму. И чем тоньше стенка шпули тем, при прочих равных условиях, указанное искажение формы шпули будет больше. А поскольку предложенное техническое решение предполагает разную толщину сменки шпули, то и усилие разжима барабана нужно снижать пропорционально уменьшению толщины стенки. Правда, при этом снижаются и возможности по передаче крутящего момента от барабана к шпуле силами трения между ними. Но ведь согласно выражению (1) пропорционально снижается и плечо 0,5(D-D) приложения усилия натяжения фольги.
Поэтому в нашем случае давление масла в системе управления «сжимом-разжимом» барабана моталки, которое и создает необходимое усилие разжима барабана, можно определить по формуле
П
2
Р=КS, кгс/см,
П
где К=1,25 - коэффициент пропорциональности для данного стана,
S - толщина стенки шпули.
5
2
2
Тогда для самой толстой шпули S=80 мм (пятый типоразмер) давление масла должно быть 100 кгс/см, а для шпуль толщиной 70, 60, 50 и 40 мм давления должны быть равны 88, 75, 63 и 50 кгс/см соответственно.
В заключение отметим, что съемные шпули являются расходным инструментом прокатного стана; при массе стана около 800 тн масса парка шпуль составляет 278 тн или около одной трети от массы стана. Такая значительная величина существенно отражается на себестоимости выпускаемой продукции.
В соответствии с предлагаемым техническим решением срок службы парка шпуль увеличивается в 4 раза. Кроме того, масса парка шпуль снижается почти в 278/190=1,5 раза. Следовательно, расход на приобретение шпуль уменьшится в годовом исчислении в 4×1,5=6 раз. В этом и состоит основной технический эффект предложенного изобретения.