CC BY
41
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.771
ШЕСТИВАЛКОВЫЙ СТАН 1350 НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПРОКАТКИ ТОНКИХ ЛЕНТ И ФОЛЬГИ ИЗ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Ю.В. Гесслер, канд. техн. наук (АКХВНИИМЕТМАШ, г. Москва, 109428, Рязанский проспект, 8а), И.Л. Дегтярев, Ю.Ф. Жижонков (ОАО ДОЗАКЛ, г. Дмитров), В.И. Тенетко, В.Л. Секерина (г. Краматорск, Украина)
Приведен состав оборудования шестивалкового стана 1350 новой конструкции для прокатки тонких лент и фольги из алюминиевых сплавов. Показано, что противоизгиб опорных валков с помощью опорных роликов позволил по-новому регулировать поперечный профиль прокатываемой фольги за счет новой схемы упругих деформаций опорных валков. Получен новый профиль поперечного сечения прокатываемой фольги.
Ключевые слова: прокатка, шестивалковый стан, укороченные опорные ролики, тонкая лента, фольга, прецизионная продукция.
A Newly Designed 1350 Six-Roller Mill for Rolling of Thin Strips and Foils in Aluminium and its Alloys. Yu.V. Gessler, I.L. Degtyariov, Yu.F. Zhizhonkov, V.I. Tenetko, V.L. Sekerina.
An equipment mix for a newly designed 1350 six-roller mill for rolling of thin aluminium "(i*)-
alloy strips and foils is presented. It is shown that counterbending of backup rolls by means of caster rolls enables new adjustment of transverse form of the rolled foil due to a new schedule of backup roll springings. A new cross-section form of the rolled foil is obtained.
Key words: rolling, six-roller mill, shortened caster rolls, thin strip, foil, precision products.
В августе 2013 г. исполнилось 25 лет с момента запуска на Дмитровском алюминиевом заводе (ДОЗАКЛ) шестивалкового стана 1350 с укороченными опорными роликами, предназначенного для прокатки фольги из алюминия и его сплавов.
Шестивалковый стан 1350 был создан совместными усилиями АХК ВНИИМЕТМАШ им. Академика Целикова, Славянским филиалом ВНИИМЕТМАШа и ПАО СКМЗ. Оборудование изготавливали на Московском опытном заводе МОЗ ВНИИМЕТМАШ и ПАО СКМЗ.
Необходимость в создании стана была вызвана тем, что в начале 80-х гг. прошлого столетия производство тонких алюминиевых лент и фольги выделили в отдельную стратегиче-
скую отрасль; а поскольку в СССР практически всю фольгу прокатывали на фольгопро-катных станах зарубежного изготовления, то с целью повышения стратегической безопасности страны было принято решение о создании собственного отечественного фольго-прокатного стана.
Согласно паспортным данным 6 -валковый стан 1350 (после проведенной в 2005-2008 гг. модернизации) рассчитан, в основном, на прокатку фольги толщиной 30-200 мкм, а также алюминиевых лент и полос толщиной до 0,80 мм из заготовки толщиной до 1,0 мм и шириной до 1250 мм, смотанной в рулон с наружным диаметром до 1700 мм и максимальной массой, равной (при внутреннем диаметре
-Ф-
-Ф-
рулона 500 мм) 8 т; параметр «1350» в названии стана - длина бочки рабочих валков.
Стан состоит из следующих основных агрегатов, машин и систем (рис. 1), загрузочных и разгрузочных устройств, содержащих: два шагающих конвейера (конвейеры расположены перед станом и на рис. 1 не видны) и две тележки 1 для съема шпуль и рулонов; разма-тыватель 2 плавающего типа с приводом мощностью 400 кВт и скоростью вращения 500/1500 об/мин; устройства 3 для замера полного натяжения полосы; входной 4 и выходной 5 толщиномеры; предварительно-напряженную 6- валковоую рабочую клеть 6 с приводом от электродвигателя мощностью 1250 кВт при скорости вращения 0-400/700 об/мин; моталку 7 с приводом и захлестывателем 8 (приводы моталки, разматывателя и рабочей клети расположены за станом, на рис. 1 не видны) и гильотинные ножницы 9; а также электрооборудование, включающее автоматизированный электропривод и автоматические
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
системы управления технологическим процессом с использованием датчиков силовых параметров процесса прокатки, положения элементов стана и размеров проката.
Разматыватель и моталка снабжены двух-скоростными редукторами, что позволяет в широком диапазоне (1-35) поддерживать при прокатке устойчивое натяжение фольги; этот диапазон в 4 раза шире, чем при использовании обычного редуктора. При этом в зависимости от размеров поступающих рулонов заготовки наружный диаметр барабана разматывателя (и это тоже новое техническое решение) можно изменять в диапазоне от 500 до 750 мм. Прокатная клеть рассчитана на максимальные значения усилий прокатки до 6 МН и моментов прокатки до 50 кНм.
Стан оснащен также системой отсоса паров прокатного масла (технологической смазки) и системой пожаротушения. Для очистки прокатного масла впервые был использован фильтр-пресс типа ФПАКМ-25, обычно при-
-Ф
Ф-
Рис. 1. Нереверсивный шестивалковый стан 1350конструкции ВНИИМЕТМАШ для холодной прокатки фольги
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
меняемый в химической и пищевой промыш-ленностях. Он отличается очень высокой тонкостью очистки масла (0,5 мкм), что необходимо для прокатки алюминиевой фольги с улучшенным качеством поверхности.
Необходимо отметить, что в состоянии поставки стан был оснащен только отечественным оборудованием: механическим, электрическим и электронным (за исключением толщиномеров); именно в таком составе стан и подтвердил свои наилучшие технологические показатели.
Для регулировки формы межвалкового зазора на стане предусмотрены: тепловая профилировка валков, системы противоизгиба рабочих, опорных валков и регулирование взаимного перекоса валков в вертикальной плоскости. Принципиально новым стало осуществление противоизгиба опорных валков не за счет изгибающих моментов, прилагаемых к
их шейкам, а изгибающим усилием, приложенным со стороны опорных роликов (укороченных валков) к серединам бочек опорных валков.
Прокатная клеть стана представлена в схематическом виде на рис. 2.
Состоит клеть из следующих основных элементов: прокатные валки - рабочие 1, между которыми проходит прокатываемая фольга 2, и опорные валки 3, которые своими подушками 4 опираются непосредственно на верхнюю траверсу 5 и нижнюю траверсу 6, а своими бочками - на опорные ролики 7; последние опираются также на траверсы 5 и 6, но посредством гидроцилиндров 8. Нижняя траверса 6 лежит на гидроцилиндрах 9, а верхняя траверса 5опирается на месдозы 10; гидроцилиндры 9 и месдозы 10 упираются в поперечины станины прокатной клети (на схеме условно не показана). Между подушками 4 верхнего и нижнего опорных валков 3 установлены мес-
1
3 6
0,5Рп
0,5Рп
11
11
Рис. 2. Принципиальная схема и схема нагружения валковой системы 6-валковойрабочей клети
с укороченными опорными роликами:
а - вид спереди; б - вид сбоку; 6- валковая рабочая клеть нагружена:
- усилием прокатки Р в виде распределенных нагрузок по бочкам рабочих валков 1 на ширине Ь прокатываемой фольги 2 и по бочкам опорных валков 3 на длине этих валков
- усилиями О противоизгиба рабочих валков 1 на их шейках;
- реакциями 0,5 Р0 на шейках опорных валков 3;
- усилием Рр противоизгиба опорных валков 3 (приложено к середине их бочек со стороны опорных роликов 7);
- усилием Рпнк предварительного напряжения клети со стороны гидроцилиндров 9;
- усилием Р1 распора подушек опорных валков 3 в виде разности усилий Р1 = Рпнк - Р
А
0
р
а
"Ф
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
дозы 11, зажатием которых с помощью гидроцилиндров 9 обеспечивается предварительное напряжение прокатной клети.
Основным элементом, регулирующим в 6-валковой клети поперечный профиль прокатываемой фольги, служат опорные валки 3; схема усилий, которыми они нагружены, также представлена на рис. 2.
Из приведенной схемы можно видеть, что опорные валки нагружены одновременно усилием прокатки в виде распределенной нагрузки, реактивными усилиями, приложенными к их шейкам, и усилием противоизгиба со стороны опорных роликов, приложенным к середине бочек опорных валков. При реализации такой схемы нагружения опорных валков профиль поперечного сечения прокатываемой фольги приобретает качественно новую форму, как это будет показано ниже.
На рис. 3, а показан профиль поперечного сечения широкой фольги, прокатываемой на станах кварто традиционной конструкции (а также на 6-валковых станах японской конструкции с осевой сдвижкой валков). Такой профиль фольги образуется, в основном, благодаря процессу теплового регулирования профиля прокатных валков и противоизгибу рабочих валков, который при длинных и тонких фольгопрокатных рабочих валках дает такие же по своей форме искажения поперечного профиля фольги, как и при тепловом профилировании.
При прокатке на предложенном 6-валковом стане с укороченными опорными роликами профиль поперечного сечения фольги приобретает вид, представленный на рис. 3, б и образованный благодаря особенностям в этом случае упругой деформации опорных валков.
Если подобрать оптимальное соотношение таких параметров опорного валка, как его диаметр О0, длина его бочки и расстояние между осями его подушек А0, а также оптимальное соотношение между усилием прокатки Р и той его долей Рр, которую воспринимают на себя опорные ролики, то можно теоретически полностью устранить искажения профиля поперечного сечения, которые представлены на рис. 3, а, б.
Однако, как показала практика, полной компенсации между профилями на рис. 3, а, б
достигнуть не удается. Поэтому фактический профиль имеет вид, показанный сплошными линиями на рис. 3, в с двусторонними отклонениями Д8/2 от прямых штриховых линий.
Но суммарные искажения профиля Д8 являются величиной второго порядка по сравнению с искажениями профиля на рис. 3, а, б, и поэтому требуемый диапазон действия теплового регулирования профиля валков получился почти на порядок меньше по своей ширине, чем на известных фольгопрокатных станах. Это основное преимущество предложенного 6-валкового стана.
И еще два важных его преимущества. Первое - это более широкий диапазон толщин готовой продукции, а именно 0,03 мм:0,80 мм = = 1:27, в то время как на стане кварто 1350 это же соотношение было равно 0,2 мм:1,0 мм = 1:5. Новый 6-валковый стан первоначально созда-
(0,15—0,20)6
(0,15-0,20)6
Рис. 3. Поперечные сечения широкой фольги:
а - штатная прокатка на стане кварто традиционной конструкции; б - опытная прокатка (на заправочной скорости) на 6-валковом стане; в - промышленная прокатка (на рабочей скорости) на 6- валковом стане
6
а
в
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
вался как чистовой стан к уже действующему черновому стану кварто 1350. Однако благодаря такому широкому диапазону толщин его готовой продукции, он впоследствии полностью заменил стан кварто и превратился в универсальный стан, который может одновременно исполнять роль черного и чистового станов (по этой причине стан кварто 20 лет назад был демонтирован за ненадобностью). Заметим, что на всех действующих фольгопро-катных станах мира при диапазоне толщин 1:20 и более устанавливают два отдельных стана: черновой и чистовой, что усложняет фольго-прокатный комплекс, делает его менее управляемым, более металлоемким и более дорогим.
Другое важное преимущество - прокатная клеть нового стана выполнена предварительно-напряженной. Дело в том, что существенной особенностью процесса фольгопрокатки является то, что стан работает в нереверсивном режиме, а именно: первый проход выполняют для всей партии металла в целом, затем стан перестраивают на второй проход и снова пропускают через стан всю партию, далее перестраивают стан на третий проход и т. д. Предварительное напряжение клети (ПНК) существенно упрощает переход от предыдущего рулона к последующему в пределах партии, а также сохраняет неизменной настройку прокатной клети в процессе прокатки всей партии металла. Использование режима ПНК также дополнительно повышает точность прокатки. В частности, как показали замеры, при прокатке за 5 проходов фольги толщиной 50 мкм из подката толщиной 1,0 мм продольная разнотолщинность готовой фольги в режиме ПНК уменьшилась почти вдвое по сравнению с прокаткой без ПНК (такой режим на стане также имеется).
Повышение точности профиля поперечного сечения фольги на выходе из рабочей клети, помимо собственно улучшения точности продукции, позволило дополнительно на 20-30 % повысить уровень переднего натяжения, находясь при этом в пределах допустимого диапазона, при котором обеспечивается безобрывный процесс прокатки. А это, в свою очередь, позволило дополнительно улучшить плоскостность фольги благодаря
эффекту ее «вытягивания» из валков дополнительно увеличенным передним натяжением.
Сама 6-валковая схема, о достоинствах которой сказано выше, дает принципиально новые возможности не только с точки зрения технологии прокатки особо тонких лент, но также позволяет разгрузить подшипники опорных валков; благодаря этому становится возможным уменьшить диаметр опорных валков и тем самым расширить диапазон регулирования профиля валков без потери жесткости валковой системы.
Опыт 25-летней эксплуатации стана показал, что все заложенные в его конструкцию прогрессивные технические решения полностью подтвердились в виде ожидаемых преимуществ перед другими станами того же назначения. Это выразилось и в том, что данный стан, предназначенный для производства прецизионной спецфольги с повышенной плоскостностью и точностью, действительно оказался способен стабильно производить такую продукцию.
На стане освоена прокатка самых разнообразных видов продукции, в том числе и таких, которые оказалось невозможно получить на других фольгопрокатных станах, действующих на постсоветском пространстве. В качестве примера можно назвать фольгу толщиной 30 мкм и сверхвысокой плоскостности из жесткого алюминиевого сплава для нужд вертолетостроения.
В настоящее время на стане производится лучшая в стране тонкая зеркальная лента с повышенной плоскостностью, предназначенная для изготовления отражателей в специальных электрических светильниках.
В 1998 г. коллектив российских и украинских ученых, конструкторов и производственников был удостоен премии Правительства РФ за создание первого отечественного фольгопрокатного стана*.
* Авторы статьи выражают глубокую признательность коллективу работников производства ПОАС, усилиями которых на протяжении четверти века эксплуатация 6- валкового стана 1350 поддерживалась на самом высоком уровне. Именно их старание позволяет стану, несмотря на значительный износ его оборудования, продолжать до сегодняшнего дня прокатывать прецизионную продукцию.
"Ф
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Причина, по которой стан с такой прогрессивной схемой до сих пор не получил широкого тиражирования состоит в том, что эта схема не может быть реализована путем реконструкции действующих станов, процессы же последних лет, происходящие в мире, характеризуются направленностью преимущественно на совершенствование уже действующих станов, а не на строительство новых.
Поэтому следует полагать, что работающий на ДОЗАКЛе 6-валковый стан - это фольгопрокатный стан будущего, опередивший время.
В заключении хотелось бы напомнить, что работа по созданию этого стана велась с перспективой на будущее и в том смысле, что он был и остается моделью, и прообразом для новых крупных листовых станов, в том числе и для гаммы станов 5000. В его конструкции применено много новых и оригинальных технических решений, правильность которых подтверждена длительной практикой его промышленной эксплуатации.
Заключение
Первый отечественный фольгопрокатный стан по своей конструкции является 6-валковым станом 1350 с укороченными опорными роликами, что, благодаря новой силовой схеме нагружения валковой системы и новой схеме упругих деформаций опорных валков, позволило регулировать по - новому попереч -ный профиль прокатываемой фольги. В частности, оставлять для теплового регулирования не все поле искажения поперечного профиля, а лишь его приращение; в результате удалось существенно расширить диапазон регулирования этого профиля и производить на стане прецизионную фольгу с повышенной плоскостностью, уменьшенной продоль-
ной разнотолщинностью и улучшенным качеством поверхности.
Впервые в фольгопрокатных станах использованы два следующих прогрессивных технических решения:
- принципиально новый способ регулирования поперечного профиля фольги, что позволило в несколько раз уменьшить искажения этого профиля;
- применение предварительного напряжения фольгопрокатной клети позволило улучшить также и продольный профиль фольги, что выразилось в снижении продольной раз-нотолщинности готовой фольги примерно на 50 %.
В частности, прокатка от 20.06.2013 г. показала следующие результаты: партия фольги из алюмомагниевого сплава общей массой 60 т и длиной более 200 км с поперечным сечением 0,090 х 1235 мм была прокатана в пределах поля допуска на толщину ± 1 мкм на 95 % ее длины, что позволяет отнести эту фольгу к классу прецизионных.
Стан характеризуется гораздо большим диапазоном толщин производимой продукции (примерно в 5 раз более широким, чем в фольгопрокатных станах традиционной конструкции), что позволило ДОЗАКЛу обойтись одним универсальным 6- валковым вместо двух станов кварто: чернового и чистового.
Этот стан не имел и до сих пор не имеет аналогов в мировой практике прокатострое-ния, по примененным в нем прогрессивным техническим решениям опередил обогнал другие фирмы, производящие фольгопрокатное оборудование, а по своей конструкции и технологическим возможностям может считаться головным образцом фольгопрокатных станов нового поколения.
