Walcownią nazywamy zespół urządzeń służących do walcowania. Czynniki charakteryzujące walcownie są liczne i zróżnicowane, wskutek czego podział walcowni może być także różny, w zależności od tego, jaki czynnik weźmie się za podstawę tego podziału.
Zgodnie z tym walcownie można podzielić, biorąc pod uwagę:
1. rodzaj walcowanego metalu, na:
a) walcownie stali
b) walcownie metali nieżelaznych
1. stopień przerobienia wytwarzanego wyrobu, na
a) walcownie półwyrobów
b) walcownie wyrobów gotowych
2. kształt wyrobów, na:
a) walcownie bruzdowe (kęsisk, kęsów, prętów, kształtowników, szyn, blachówek itp.
b) walcownie blach ( w arkuszach i taśm) oraz blach uniwersalnych,
c) walcownie taśm wąskich na zimno,
d) walcownie rur bez szwu
e) walcownie specjalne (obręczy, pierścieni, kół bosych)
3. rozłożenie klatek w zespole walcowniczym, na:
a) walcownie liniowe (jedno- lub wieloliniowe)
b) walcownie ciągłe
c) walcownie półciągłe
d) walcownie krzyżowe
e) walcownie szachownicowe czy mijane.
4. wymiary wyrobów i średnice nominalne Dn walców, na:
a) walcownie bruzdowe, a te dzielą się na:
a) zgniatacze (Dn=700-1350 mm), do wyrobów o przekroju powyżej 140x140 mm.
b) walcownie kęsów i blachówek; liniowe (Dn=550-750 mm), ciągłe (Dn=450¸700 mm), do wyrobów o przekroju poniżej 120x120 mm.
c) walcownie duże liniowe (Dn=650¸900 mm), krzyżowe (Dn=500-650 mm), do wyrobów o przekroju powyżej ceownika 180.
d) walcownie średnie liniowe (Dn=400-650 mm), krzyżowe (Dn=350-450 mm), do wyrobów o przekroju ceownika 180-650 mm.
e) walcownie małe liniowe, krzyżowe, ciągłe, półciągłe (Dn=200-380 mm), do wyrobów o przekroju mniejszym niż ceownik 65 mm oraz walcówki i bednarki.
b) walcownie blach, a te na:
a) uniwersalne (Dn=1100-1200 mm), do wyrobów o przekroju większym niż 800x75 mm;
b) walcownie blach grubych liniowe (l do 1800 mm), do walcowania blach w arkuszach i taśmach o grubościach większych niż 6 mm, ciągłe i półciągłe (l=600-2500) do walcowania blach taśmowych o grubościach większych niż 6 mm;
c) walcownie blach cienkich liniowe (l do 1800 mm) do walcowania blach w arkuszach o grubości 4,75-0,2 mm; ciągłe i półciągłe (L do 1800 mm) do walcowania blach taśmowych na gorąco grubości 4,75-1,5 mm, liniowe i ciągłe (L do 2500 mm) do walcowania blach taśmowych na zimno o grubości 4-0,1 mm.
d) walcownie blach uniwersalnych do walcowania blach o krawędziach ostrych w pasmach o grubości większych niż 4,75 i szerokości 150-700 mm.
c) walcownie rur, a te zaś na:
a) walcownie duo do walcowania rur o średnicy 7-22” (178-470 mm)
b) walcownie średnie do walcowania rur o średnicy 3-7” (76-178 mm)
c) walcownie małe do walcowania rur o średnicy 1-3” (25-76 mm)
a) walcownie specjalne,
d) walcownie do walcowania na zimno
e) walcownie do zginania w walcach rur zgrzewanych lub spawanych
W skład każdej walcowni wchodzą piece grzewcze, urządzenia do walcowania i urządzenia pomocnicze. Główną częścią walcowni jest tzw. ciąg walcowniczy (walcarka), który składa się zazwyczaj z trzech zasadniczych elementów:
1. jednej lub kilku klatek roboczych (walcowniczych), w których umieszczone są walce robocze oraz łożyska;
2. urządzeń do przenoszenia ruchu od silnika do klatki roboczej (łączniki i nasuwki, klatka walców zębatych, przekładnia zębata, sprzęgło);
3. silnika napędowego walców roboczych i koła zamachowe.
Ważną rolę spełniają w walcowniach urządzenia transportowe do przenoszenia materiału w określonym kierunku (wpycharki i wypycharki, samotoki, przesuwacze, kantowniki, stoły podnośne itp.), urządzenia do cięcia i prostowania (piły, nożyce, prostownice) oraz chłodnie.
Wcześniej do napędzania walcarek stosowano koła wodne, potem maszyny parowe, a od 1908 r. stosuje się silniki elektryczne o różnej mocy w zależności od rodzaju walcowni od 20-10000KM.
Jeżeli walcarka jest nie nawrotna to do jej napędu używa się silnika elektrycznego asynchronicznego. W walcarkach o takim napędzie umieszcza się często koła zamachowe; najczęściej dwa na wale po obu stronach łożysk małego koła zębatego przekładni zębatej, w celu równomiernego rozłożenia ciężaru na oba łożyska.
Koła zamachowe służą do akumulacji energii luzem pracującej walcarki, tj. przed podaniem jej materiału i wyładowanie tej energii w momencie uchwycenia go przez walce.
Ponieważ duo nawrotne (dwójki zwrotne - zgniatacza) po każdym przepuście zmieniają kierunek ruchu, dlatego ten rodzaj walcarek nie może mieć kół zamachowych, natomiast posiada specjalne silniki prądu stałego, które umożliwiają nie tylko szybką zmianę kierunku obrotu walców, ale również dokładną regulację obrotów w szerokim zakresie. Silniki tego rodzaju zasilane są prądem stałym od osobnych prądnic, napędzanych asynchronicznym silnikiem prądu zmiennego.
Złożenia walców w klatkach roboczych
Złożenie walców zależy od rodzaju wyrobów walcowanych. Ze względu na złożenie walcarki dzielimy na walcarki o walcach:
· poziomych,
· pionowych,
· pionowych i poziomych,
· ustawionych skośnie względem siebie.
Najszersze zastosowanie mają dwa walcarki, w których walce poziome są ułożone nad sobą.
Walcarki o walcach poziomych
Jeżeli w klatce walców znajdują się dwa walce, to za każdym przepustem kierunek obrotu walców powinien się zmienić lub przy obrocie walców w jednym kierunku należy materiał walcowany przerzucić na drugą stronę ponad walcem górnym. (np. przy walcowaniu blach w cienkich arkuszach).
Jeżeli w klatce znajdują się trzy walce jeden nad drugim to wówczas walce obracają się stale w jednym kierunku. Materiał walcowany przechodzi na przemian pomiędzy dolnym a środkowym, zaś w drugą stronę pomiędzy górnym a środkowym. W tym przypadku mówimy o walcarce trio, która wymaga specjalnego urządzenia do podnoszenia i opuszczania metalu walcowanego, podczas gdy w walcarce duo metal przesuwa się tylko na jednym poziomie, co upraszcza znacznie konstrukcję walcarki i ułatwia jej obsługę.
Do walcowania cienkich blach i taśm (przeważnie na zimno) używa się walcarek wielowalcowych takich, jak: kwarto, seksto, a bywają i walcarki 20-to walcowe.
Rodzaje walców
Podstawową i najważniejszą częścią składową walcarki są walce, które wykonuje się jako odlewy żeliwne lub staliwne, albo też odkuwa ze stali węglowych, a także wykonuje ze stopów twardych i z węglików spiekanych wolframu.
Walce żeliwne mogą być miękkie lub też utwardzone. Utwardzone odlewa się w specjalnych kokilach metalowych, w celu uzyskania utwardzenia powierzchniowego. Tego rodzaju walce znajdują zastosowanie przy obróbce cienkich blach o dokładnych wymiarach grubości, jak również prętów profilowych o niewielkich wymiarach.
Zgrubne procesy walcowania grubych przekrojów wykonuje się przy użyciu walców staliwnych.
Walce odkuwane, wykonane ze stali węglowej, stosuje się w przypadkach procesów walcowania wymagających wielkich nacisków. Bardzo dokładne procesy walcowania na zimno, a przede wszystkim kalibrowanie wykonuje się przy użyciu walców stalowych hartowanych, często wykonanych jako walce rurowe, które są chłodzone od wewnątrz wodą.
W zależności od materiałów, z których są wykonane walce można podzielić na:
1. walce żeliwne, miękkie, półtwarde (lub półutwardzone) i utwardzone (z żeliwa normalnego lub stopowego);
2. walce stalowe kute, ze stali węglowych i stopowych,
3. walce staliwne, ze staliwa węglowego i stopowego.
Ze względu na twardość walce możemy podzielić na:
1. walce miękkie o twardości 150-250 HB – ze staliwa, stali węglowej kutej lub żeliwa szarego; stosuje się je w zgniataczach, w klatkach wstępnych walcarek dużych do półwyrobów i wyrobów profilowych oraz w walcarkach do wyrobu tulei rurowych Mannessmana.
2. walce półtwarde o twardości 250-400 HB –wykonuje się żeliwa półutwardzonego, staliwa i stali kutej i większych zawartościach węgla C i Manganu Mn; stosuje się w klatkach wstępnych walcarek średnich, małych i do blach, w klatkach walcarek wykończających dużych oraz w walcarkach kwarto na walce oporowe.
3. walce twarde o twardości 350-550 HB (50-75 HS) – wytwarza się z żeliwa utwardzonego i stali stopowej; stosuje się je w klatkach wykończających walcarek średnich, małych oraz do blach cienkich.
4. walce bardzo twarde o twardości 550-700 HB (75-87 HS) – wytwarza się je ze stali stopowych kutych z większym dodatkiem chromu i hartowanych, ze stopów twardych i spieków węglików wolframu (około 100 HS), przy czym te ostatnie stosuje się do walcowania bardzo cienkich folii.
Walec gładki składa się z części centralnej gładkiej, toczonej lub szlifowanej, zwanej beczką. Nazwa ta pochodzi stąd, że walce gładkie mają rzeczywiście kształt beczkowaty, uzyskany przez powiększenie średnicy w połowie długości części roboczej walca. Wypukłość walca waha się od kilku setnych do kilku dziesiątych części milimetra.
Walce gładkie przeznaczone są do produkcji blach, taśm oraz walce zgniataczy.
Otrzymanie za pomocą walcowania przekrojów kształtowych (profili) wymaga stosowania walców z wykrojami, zwanych walcami bruzdowymi. Tego rodzaju walce mają umieszczone obok siebie w pewnej odległości kolejne wykroje, każdy o innym kształcie i stopniowo zmniejszającej się powierzchni przekroju.
Walce bruzdowe dzielą się na dwa rodzaje:
- walce o wykroju otwartym
- walce o wykroju zamkniętym.
Walce o wykroju otwartym; współpracujące: górny i dolny walec mają jednakowe wykroje, podczas gdy w walcach o wykroju zamkniętym zasadniczy wykrój znajduje się tylko w jednym walcu, drugi zaś ma tylko wykrój częściowy.
Klatka walcownicza składa się z:
1. walców;
2. urządzenia do nastawiania i wyważania walców;
3. urządzenia do smarowania i chłodzenia
4. ramy.
Walcownia w układzie liniowym (osiowym)
Walcarki w układzie liniowym mają jeden silnik, skutkiem tego wszystkie klatki robocze posiadają jednakową szybkość walcowania, co nie jest wygodne za względu na wydłużanie się materiału podczas walcowania.
Aby temu zapobiec ustawia się walcarki w kilku liniach dwu, trzech i więcej. W tedy każda linia ma swój silnik i inną szybkość walcowania, a jednocześnie większa liczba linii umożliwia umieszczenie większej liczby wykrojów (kalibrów).
W dalszym rozwoju walcownictwa powstały tak zwane walcownie ciągłe. Materiał przechodzi z jednej klatki na drugą, przy czym liczba klatek w takiej walcowni musi posiadać tyle klatek ile jest koniecznych wykrojów. Poszczególne klatki mogą być napędzane przez jeden silnik a stopniowe wydłużanie się materiału uwzględnione bywa w postaci odpowiednio dopasowanych kół zębatych lub poszczególne klatki mogą być napędzane przez oddzielne silniki elektryczne.
Przy pracy w walcowniach ciągłych materiał przez jedną klatkę przechodzi tylko jeden raz i zaraz idzie na drugą potem na trzecią klatkę roboczą itd. Poza tym nie ma żadnego poprzecznego przesuwania materiału. Na pierwszą klatkę wchodzi materiał wejściowy a z ostatniej klatki wychodzi gotowy wyrób (półwyrób). Wydajność tych walcowni jest bardzo duża.
Układ ciągły walcarek stosuje się do walcowania wstępnego, zaś do walcowania wykończającego stosuje się układy jedno lub wieloliniowe.
Walcownie półciągłe, składające się z układu ciągłego i liniowego, stosowane są do walcowania drutu i cienkich taśm.
Technologia walcowania
Technologiczny proces walcowania na gorąco składa się z następujących etapów:
1. przygotowania wsadu
2. nagrzewania,
3. walcowania,
4. chłodzenia,
5. wykańczania,
6. kontroli.
Przygotowanie wsadu polega na usunięciu wad powierzchniowych wlewków, kęsisk, lub kęsów, gdyż wpływają one szkodliwie na jakość powierzchni wyrobów walcowanych.
Nagrzewanie metalu jest warunkiem koniecznym do przeprowadzenia przeróbki plastycznej na gorąco.
Walcowanie stanowi podstawową czynność procesu technologicznego. Przebieg walcowania zależy od plastyczności, tzn. zdolności do odkształcania się metalu. Zdolność ta zależy przede wszystkim od rodzaju metalu, jego temperatury i sposobu walcowania.
Zakres temperatur, przy którym może odbywać się przeróbka plastyczna, tj. początkowa o końcowa temperatura walcowania metalu zależy od kształtu walcowanego wyrobu i gatunku stali (przy różnych temperaturach walcuje się szyny, wstęgi na rury, pręty na łożyska toczne).
Przebieg chłodzenia nie jest obojętny dla jakości produkcji i nieprzestrzeganie odpowiednich sposobów chłodzenia może spowodować pogorszenie cech użytkowych wyrobu. Jest to szczególnie ważne przy walcowaniu stali o większej zawartości węgla i stali stopowych, których wewnętrzna budowa zależy w dużym stopniu od sposobu chłodzenia.
Wykańczanie polega na prostowaniu, sortowaniu i oczyszczeniu gotowego wyrobu. Zarówno w czasie procesu, jak i po jego zakończeniu kontroluje się jakość walcowanego wyrobu.
Walcowanie prętów i kształtowników – walcownie bruzdowe
W walcowniach bruzdowych walcuje się na gorąco kształtowniki (teowniki, dwuteowniki, ceowniki, kątowniki) i pręty (okrągłe, kwadratowe, i inne) grube, średnie, cienkie oraz najcieńsze wraz z walcówką, a także bednarkę.
Wsadem w walcowniach bruzdowych są kęsiska lub kęsy, otrzymane przez przewalcowanie wlewków stalowych o masie 2-20 t w zgniataczu (kęsiska kwadratowe) (blooming), a następnie w walcowni kęsów. Wsadem w walcowni blach i taśm są kęsiska płaskie, które walcuje się w zgniataczu kęsisk płaskich (slabingach).
Walcownie bruzdowe duże wyposażone są w walcarki o dwóch lub trzech klatkach w układzie jedno- lub dwuliniowym, przy czym pierwsza jest klatką wstępną zgniatającą ze stołem podnośnym z urządzeniem kantującym, pozostałe zaś klatki zaopatrzone są w przesuwacze, albo stoły przesuwne.
Ułożenie walców w klatkach może być duo-nawrotne lub trio. Walcownie bruzdowe duże wyposażone w klatki trio mają większą wydajność niż walcownie z klatkami duo nawrotnymi. W walcowniach dużych walcuje się pręty okrągłe lub kwadratowe 80-200 mm, kształtowniki wysokości 120-200 mm.
W walcowniach bruzdowych średnich rozróżnia się kilka układów: liniowe, ciągłe, i zygzakowe. Walcuje się w nich pręty kwadratowe i okrągłe 30-100 mm, dwuteowniki, teowniki, ceowniki wysokości 80-160 mm, kątowniki 50x50-120x120 i bednarkę szerokości do 200 mm.
Walcownie bruzdowe małe mogą mieć układ liniowy, ciągły, półciągły lub zygzakowy. Walcuje się kształtowniki i pręty cienkie i najcieńsze, kwadratowe, i okrągłe 8-25 mm, pręty płaskie do szerokości 50 mm, niektóre drobne kształtowniki, kształtowniki specjalne, bednarkę i inne.
Walcownie walcówki mogą mieć układ liniowy, ciągły lub półciągły. W walcowniach walcówki produkuje się pręty lub kształtowniki, zazwyczaj średnicy (grubości) mniejszej lub równej16,5 mm, zwijane w kręgi, przeznaczone na drut ciągniony na zimno.
Kalibrowanie walców
Wyznaczanie kształtów i wymiarów oraz liczby i kolejności bruzd lub wykrojów nazywamy kalibrowaniem walców.
Rysunek kalibrowania walców jest obrysem prześwitu między współpracującymi bruzdami w płaszczyźnie przechodzącej przez osie walców.
Celowe kalibrowanie walców powinno uwzględniać:
1. najkrótszy czas walcowania; najmniejszą liczbę przepustów doprowadzających do gotowego wyrobu;
2. najmniejszą ilość energii zużytej na walcowanie;
3. nie przekroczenie naprężeń dopuszczalnych;
4. małe zużywanie się bruzd.
Metal walcowany po przejściu przez wykrój przyjmuje tylko wówczas jego kształt, jeżeli wymiary i kształt materiału i wykroju zostały odpowiednio dobrane. W przeciwnym przypadku metal walcowany albo nie wypełni całego wykroju, nie uzyska zadanego przekroju, albo przepełni wykrój, przy czym nadmiar metalu wejdzie po obu stronach w szczelinę między kołnierzami walców i utworzy na wyrobie walcowanym tzw. wąsy, które zawalcowane w następnych wykrojach utworzą na wyrobach rysy i zmarszczki.
Oprócz tego w wyrobie walcowanym mogą powstać znaczne naprężenia wywołujące skręcanie wyrobu, pęknięcia i inne wady.
Liczba przepustów zależy od stosunku przekroju początkowego do gotowego i najczęściej wynosi 9 do15,w wyjątkowych wypadkach dochodzi do 25 i więcej.
Wykroje w pierwszych przepustach określane są jako zgniatające lub wydłużające (wstępne). Następne oznaczane są jako kalibrujące (formujące), wykrój przedostatni jako przedgotowy, a ostatni - gotowy.
Typowe wykroje zgniatające przedstawiono na rys.2:
1. prostokątne lub skrzynkowe;
2. wykroje rombowe, kwadratowe, płaskie;
3. wykroje owalne i kwadratowe
4. wykroje owalne i okrągłe.
Odstęp między kołnierzami dochodzi do kilkunastu milimetrów.
Boczne ściany wykroju są prawie zawsze nachylone do osi walców pod pewnym kątem. Nachylenie to nazywa się zbieżnością wykroju.
Zbieżność ta w wykrojach zgniatających wynosi 5-10% i więcej, w kształtujących 2-4%, w wykańczających 1-1,5%, w wykroju gotowym 0,5-1%.
Przez zbieżność uzyskuje się:
1. wygodne i prawidłowe podawanie materiałów do wykroju,
2. łatwiejsze wyjście materiału z wykroju,
3. możliwość przetoczenia wykroju bez powiększenia jego wymiarów,
4. pewną przestrzeń na roztłoczenie materiału przy walcowaniu.
Do kalibrowanie walców do wyrobów profilowych prostych obecnie używa się następujących systemów kalibrowania
a) kwadrat – kwadrat; przy walcowaniu ręcznym (materiał za każdym przepustem obraca się o 90°; gdy bok pręta jest <15 mm wykroje są dokładnie kwadratowe)
b) romb – romb; do walcowania stali stopowych; wykroje mają małą skłonność do skręcania,
c) romb – kwadrat – romb; przy grubych prętach wykazują skłonność do skręcania; w walcowniach ciągłych pręt prowadzi się i obraca przepustnicą skrętną,
d) owal – kwadrat – owal; stosuje się do prętów okrągłych; po każdym przepuście obraca się o 90°; do walcowania drutu (walcówki z kwadratu □ do owalu ○ - o 45° z owalu ○ do › o 90°
e) owal – okrągły – owal; do walcowania stali stopowych.
Walcownie blach i taśm stalowych – walcownie blach i taśm stalowych
Wsadem w walcowniach blach i taśm są kęsiska płaskie, które walcuje się w zgniataczach kęsisk płaskich (slabingach).
W zależności od zastosowania produkuje się: blachy grube (konstrukcyjne, kotłowe, do budowy okrętów, pancerne i inne), blachy cienkie oraz taśmy stalowe do tłoczenia (naczynia, karoserie samochodowe itp.), do wyrobu rur ze szwem, na opakowania (np. w przemyśle spożywczym), na osłony urządzeń i do wyrobu części maszyn elektrycznych (np. blachy transformatorowe) i inne.
Wyrobem walcowni blach są blachy grube (o grubości >4,75 mm) lub cienkie (grubości mniejszej lub równej 4,75 mm), o szerokości 600-2200 mm (blachy cienkie) lub do 4800 mm (blachy grube). Wyrobem zaś walcowni taśm są taśmy mniejszej szerokości niż szerokość blach. Wyroby te mogą być walcowane na gorąco i na zimno.
Odrębną grupę wyrobów stanowią blachy powlekane powłokami ochronnymi lub platerowane.
Blachy produkuje się w arkuszach, pasach (z walcowni ciągłych) lub kręgach; taśmy zaś w pasach lub kręgach.
Walcowanie blach grubych odbywa się w układzie walcowni, w których rodzaj i liczbę klatek w walcarkach dobiera się zależnie od planowanej produkcji i programu walcowania, np. jedna klatka duo, jedna klatka kwarto, dwie klatki – jedna duo i jedna kwarto, dwie klatki kwarto.
Walcownia jednoklatkowa duo jest typowa dla programu obejmującego najgrubsze blachy pancerne walcowane z wlewków. Przy tym samym programie produkcji i grubościach blach (do 200 mm) można wykorzystywać jednoklatkową walcarkę kwarto.
Wsadem w stalowni blach grubych są kęsiska płaskie ze zgniatacza lub wlewki ciągłe z urządzenia do ciągłego odlewania stali (COS).
Program walcowania typowej walcowni dwuklatkowej obejmuje blachy grubości 4-120 mm.
W zależności od układu walcowni, rodzaju wsadu, a także od programu produkcji rozmieszcza się różne urządzenia pomocnicze walcowni takie, jak: samotoki, prostownice, nożyce, łamacze zgorzeliny, oczyszczarki, trawialnia, szlifierki pasmowe, piece do wyżarzania, do ulepszania cieplnego, stanowiska kontrolne.
Wszystkie uruchamiane walcownie dwuklatkowe i w większości jednoklatkowe wyposaża się obecnie w pełne sterowanie komputerowe, zazwyczaj z trzema w układzie hierarchicznym. Dwa kierują ruchem klatki wstępnej i wykańczającej (podawaniem blach, nastawianiem walców poziomych i pionowych), trzeci „dyspozycyjny” nadzoruje przepływ wyrobów przez walcownię. W takim układzie walcowni instaluje się wiele układów pomiarowych, np. wagi, czujniki nacisku, obrotomierze, mierniki przepływów, gorące i zimne czujniki obecności wyrobu.
Wprowadzenie automatyzacji zwiększa uzysk, zmniejsza odchyłki grubości i skraca cykl walcowania.
Walcowanie blach cienkich na gorąco w walcowniach ciągłych jest najwydajniejszą metodą produkcji blach i taśm. Najmniejsza grubość wyrobów zależy od szerokości pasma i wynosi od 1,2 mm (dla taśmy) do 2,0 mm (dla blachy) przy największej szerokości pasma mniejszej lub równej2200 mm. W walcowniach tych składających się z dwóch linii ciągłych położenie walców w poszczególnych klatkach podczas walcowania nie ulega zmianie.
Walcowanie na gorąco systemem Steckela jest nowoczesną i ekonomiczną metodą wyrobu blach ze stali węglowych i stopowych o grubości 2-4 mm i szerokości 600-1200 mm w pasach zwijanych w kręgi. Wsadem są kęsiska o masie do 12 t. Do uzyskania pasma grubości 10-12 mm wsad jest walcowany na wprost w klatce nawrotnej kwarto ustawionej między piecami, w których umieszczone są zwijaki. Po osiągnięciu tej grubości pasmo jest wprowadzane po każdym przepuście do pieca i zwijane przez zwijaki. W każdym przepuście cała długość pasma jest poddawana walcowaniu. Po uzyskaniu grubości gotowej blachy, pasmo wyprowadzane jest pod piecem i podawane na zwijarkę końcową.
W walcowni obiegowej (planetarnej) Sędzimira podstawowym urządzeniem jest klatka biegowa z dwoma walcami oporowymi, po których toczy się wiele małych walców roboczych. W jednym przepuście uzyskuje się 90¸95% gniotu, np. z kęsiska grubości 40-100 mm w jednym przepuście uzyskuje się blachy lub taśmy grubości 1-4,7 mm. W celu wyrównania powierzchni przepuszcza się walcowane pasmo prze klatkę wygładzającą, po czym zwija w kręgi. W walcowniach tych walcuje się blachy i taśmy ze stali węglowej (większej lub równej1% C), ze stali stopowych (nierdzewnych, transformatorowych i in.)
Walcowanie blach cienkich na zimno
Proces technologiczny walcowania blach na zimno zależy od wyposażenia walcowni (rodzaju walcarek, wytrawialni, pieców do obróbki cieplnej), gatunku walcowanej stali, od wymagań stawianych gotowym wyrobom i jest bardziej skomplikowany niż proces walcowania blach na gorąco. Wskutek umocnienia zgniecionego materiału przeprowadza się, bowiem wyżarzanie międzyoperacyjne, które przerywa ciągłość procesu. Nowoczesne walcownie do walcowania blach na zimno buduje się prawie wyłącznie jako walcownie ciągłe blach w kręgach.Wsadem w walcowni blach na zimno są blachy walcowane na gorąco, szerokości mniejszej lub równej 2300 mm, w arkuszach oraz w kręgach (zwoje). Wsad pokryty zgorzeliną powinien być oczyszczony z warstw tlenków przylegających do metalu, przez wytrawianie w rozcieńczonych kwasach H2SO4 lub HCl, lub zasadach, np. stale nierdzewne i stopowe, po którym następuje płukanie i w odniesieniu do roztworów kwasów – neutralizowanie.
Nowoczesnym sposobem jest ciągłe wytrawianie w agregacie do ciągłego wytrawiania taśm. Zachowanie ciągłości procesu bez przerw na obcinanie i łączenie końców umożliwiają pętle utworzone w dołach.
W zależności od wymagań odbiorcy taśmy (blachy) są obrabiane cieplnie w celu uzyskania najodpowiedniejszych własności, a czasem także są szlifowane i polerowane. W nowoczesnych walcowniach szlifowanie i polerowanie odbywa się w sposób ciągły w specjalnych agregatach ze szczotkami drucianymi obrotowymi, wałkami tekstylnymi i bębnami polerującymi, pokrytymi filcem. Niekiedy w celu poprawienia jakości powierzchni po końcowym wyżarzaniu, blachy i taśmy poddaje się wygładzaniu, tj. walcowaniu na zimno w specjalnych klatkach duo lub kwarto gniotem wynoszącym 0,5-3%. W wyniku wygładzania powierzchnia blachy staje się gładka i czysta, zwiększa się wytrzymałość o 10¸15%, bez zmniejszenia własności plastycznych.
Blachy i taśmy najcieńsze, grubości 0,005-0,2 mm zwane folią, oraz niektóre specjalne wyroby o większych grubościach walcuje się w klatkach wielowalcowych, np. sześcio-, dwunasto- i dwudziestowalcowych.
Wsadem do walcowania tych najcieńszych wyrobów są blachy lub taśmy grubości 0,2-1,0 mm walcowane na zimno w klatkach kwarto. Walce robocze klatek wielowalcowych mają małe średnice, natomiast ugięcia ich są znikome dzięki dużej odporności na zginanie walców oporowych.
Wyrób rur stalowych
Rury otrzymuje się nie tylko przez walcowanie, ale także przez przebijanie, ciągnienie, zgrzewanie, prasowanie, kucie i głębokie tłoczenie.
Rury stalowe dzielimy na:
1. wg procesów technologicznych na:
a. rury zgrzewane,
b. rury bez szwu
2. wg zastosowań:
a. rury do gazów i cieczy (wody, nafty, pary, gazu)
b. rury do rozprowadzania ciepła jako tzw. rury dymowe, żarowe, do wrzącej cieczy, pary przegrzanej, do pieców piekrniczych itp.
c. rury konstrukcyjne – wiertnicze, samolotowe, motocyklowe, rowerowe itp.
d. rury do celów specjalnych – do wyrobu broni, chłodnicze, wysokich ciśnień i temperatur (kotłowe).
Metody wyrobu rur
Przy wyrobie rur zgrzewanych można stosować takie metody, jak:
1. zgrzewane na styk
2. zgrzewane na walcarce ciągłej
3. zgrzewanie na zakładkę
4. spawanie elektryczne
ad. 1. Zgrzewanie stykowe rur zwijanych uzyskuje się przez przeciąganie nagrzanej taśmy stalowej do temperatury ok. 1350°C przez lejek stalowy (oczko). Szerokość taśmy jest nieco większa od obwodu zewnętrznego rury, co powoduje, że przeciągając taśmę przez lejek powoduje silny nacisk na brzegi taśmy doprowadzając do ich połączenia – zgrzania.
ad.2. Zgrzewane na walcarce ciągłej - podobnie jak w p.1, z tym że w pierwszym etapie następuje zwinięcie taśmy, a następnie walcowanie spowoduje zgrzanie brzegów na styk.
ad.3. Zgrzewanie na zakładkę - podgrzaną taśmę do 900-1000°C przepuszcza się prze lejek, a następnie tak zwiniętą na zakładkę na kształt rury podgrzana jest w piecu tunelowym do 1350°C i walcowana na trzpieniu. Zakładka znajduje się w miejscach działania nacisku walców profilowych. Walcowanie na trzpieniu powoduje zgrzanie.
ad.4. Spawanie elektryczne - po zwinięciu taśmy na styk następuje spawanie liniowe lub spiralnie czołowe lub na zakładkę.
Istnieje wiele innych rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń do produkcji rur zgrzewanych.
Wyrób rur bez szwu
Najczęściej spotykane metody to Mannesmanna i Erharda. Na bazie tych dwóch stosuje się w praktyce wiele różnych praktycznych rozwiązań technologicznych.
Tradycyjny cykl technologiczny z wykorzystaniem systemu Mannesmanna składa się z:
1. walcarki o walcach skośnych, które służą do utworzenia grubościennej tulei rurowej;
2. walcarki pielgrzymowej zwanej również krokowej lub posuwowo - zgniatającej, służącej do przewalcowania grubościennej tulei na trzpieniu na rury o ściankach normalnych;
3. urządzenia do przeciągania rur na zimno, gdy chodzi o otrzymanie bardzo dokładnych wymiarów.
Materiałem wyjściowym w procesie braci Mannesmann są wlewki okrągłe o długości do 2 m różnej średnicy, w zależności od zadanej średnicy rury ze stali o zawartości węgla od 0,12 do 0,5%.
Wlewki ogrzane do temperatury walcowania idą na walcarkę skośną, gdzie we wlewku powstaje wewnątrz otwór, tworząc grubościenną rurę (tuleję). Skutkiem skośnego położenia walców wlewek otrzymuje ruch śrubowy, złożony z prostoliniowego powolnego poziomego i jednocześnie szybkiego obrotowego. Od strony wyjściowej umieszczony jest poziomo w osi wlewka czop stalowy, który w miarę przesuwania się wlewka naprzód zagłębia się w nim wygładzając tworzący się wewnątrz wlewka otwór.
Proces tworzenia się otworu (dziurawienie) we wlewku odbywa się bardzo szybko. Przy długości wlewka ok. 2 m – proces trwa około 2 minut.
Otrzymana tuleja idzie niezwłocznie na walce posuwowo-zgniatające, gdzie zostaje stopniowo zgniatana na stalowym trzpieniu, o średnicy równej wewnętrznej średnicy rury.
W walcarce tego typu za każdym obrotem walców walcuje się, a właściwie przekuwa na trzpieniu tylko część tulei m na rurę o cieńszej ściance. Specjalne urządzenie wsuwa pomiędzy walce rurę na taką długość, którą można przewalcować przy jednym obrocie walców.
Walce, mające zmienny profil i zmienny promień przekroju, składają się na obwodzie z trzech zasadniczych części:
- roboczej ograniczonej kątem a, mający zmienny promień profilu, przeznaczony do zgniatania tulei rurowej w procesie walcowania;
- części kalibrującej i gładzącej ograniczonej kątem b, mającej stały promień profilu;
- części luźnej, ograniczonej kątem g.
Za każdym obrotem walców odkształca się tylko pewna niewielka część tulei. W położeniu, gdy walce nie stykają się z tuleją, tuleja zostaje wsunięta między walce na odległość m, którą nazywa się przesuwem lub podaniem (a). Przy dalszym obrocie walców następuje chwyt części m, po czym część robocza walcuje (zgniata) stopniowo tuleję, nadając jej wymaganą średnicę oraz grubość ściany (b). W ostatnim etapie obrotu walców zachodzi kalibrowanie i gładzenie powierzchni (c), wskutek czego część tulei otrzymuje wymiary gotowej rury. Zaraz po tym okresie następuje zwolnienie nacisku walców na materiał (część luźna walców) i przesunięcie tulei o kolejny skok (podanie) i cykl walcowania powtarza się aż do przewalcowania całej długości tulei. Za każdym podaniem materiał dodatkowo obraca się o pewien kąt wokół osi.
Końcową część rury w kształcie kielicha nie można przewalcować i dla tego zostaje odcięta.
Rury tą metodą wykonuje się do 650 mm średnicy zewnętrznej.
Istnieją cztery typy walcarek skośnych do rur: walcarka Mannesmanna z walcami beczkowymi, walcarka Stiefela z walcami tarczowymi, walcarka z walcami stożkowymi oraz walcarka trójwalcowa (Calmes, Assel).
Walcarka Stiefela z walcami tarczowymi różni się od walcarki Mannesmann kształtem i układem walców. Stosowana jest jedynie do wytwarzania rur o małych wymiarach i pozwala otrzymać cieńsze i dłuższe tuleje, niż w walcarce Mannesmann.
Walcarka a walcami stożkowymi (walcarka amerykańska) ma dwa walce stożkowe napędzane, które ściskają kęs okrągły wprowadzany od strony wierzchołka walców i przesuwają go w kierunku końcówki dziurującej. Dwie rolki prowadzące górna i dolna zmieniają otwór podczas fazy pośredniej operacji dziurowania. Otrzymana szklanka jest krótka i grubościenna.
Niezależnie od rodzaju walców w walcarkach skośnych kotlina odkształcenia kęsa składa się zawsze z dwóch głównych stożków: stożka przebijającego i stożka poprzecznego rozwalcowania, które stykają się większymi podstawami, tworząc najwęższe miejsce strefy odkształcenia.
Metodą Erhardta wyrabiane są rury o średnicy zewnętrznej do 100 mm. Kwadratowy kęs odpowiednio ogrzany, wkłada się do okrągłej formy stalowej i wbija (wtłacza) się w niego okrągły stalowy trzpień o takim przekroju, ażeby rozepchnięty trzpieniem kwadratowy kęs wypełnił formę i otrzymał kształt walca.
Przebicie nie odbywa się na wylot kęsa. Następnie tak otrzymaną „szklankę” przeciąga się na trzpieniu przez szereg zwężających się pierścieni ciągowych (rolek walcujących), zmniejszających stopniowo grubość ścianek i jednocześnie wydłużających rurę. Ciągnienie to odbywa się na gorąco.
Rozwalcowanie tulei może być przeprowadzone również na w walcarce automatycznej lub w walcarce ciągłej.
Dla otrzymania rur o dokładnej średnicy zewnętrznej stosuje się dalszą obróbkę na zimno, tzw. przeciąganie przez odpowiedniego kształtu ciągadło, podobnie jak przy ciągnieniu drutu.
Ciągnienie rur na zimno ma na celu głównie zmniejszenie średnicy i grubości ściany rury. Prócz tego wskutek ciągnienia uzyskuje się umocnienie materiału, bardzo dokładne wymiary oraz gładką i równą powierzchnię.
Przed ciągnieniem (a także po kilkakrotnym przeciąganiu o ile należy dalej przeciągać) rura powinna być równomiernie wyżarzona, gdyż najmniejsze różnice w strukturze materiału wywołują przy ciągnieniu na zimno niebezpieczne naprężenia.
Najintensywniejsze odkształcanie zachodzi przy ciągnieniu na korku wskutek tarcia z obu stron rury (korek jest nieruchomy). Ciągnienie bez trzpienia (puste) ma na celu zmniejszenie średnicy zewnętrznej bez zmniejszenia grubości ściany. Gdy odpowiednio dobierze się ciągadło i pręt przy ciągnieniu na trzpieniu można zmniejszyć średnicę i grubość ściany. Rurę na trzpieniu rozluźnia się przez walcowanie jej na walcarce rozluźniającej, wskutek czego rura rozszerza się nieznacznie.
Ciągnienie na swobodnym trzpieniu, tzw. pływającym korku, pozwala otrzymywać rury dowolnej długości (do 60 m). Ten sposób ciągnienia nadaje się głównie do produkcji rur o małych średnicach – można otrzymać rury o średnicy 2¸2,5 mm.
Wyrób drutu
Drut otrzymuje się z walcówki o średnicy ok. 5,5 mm lub z prętów o przekroju kwadratowym, eliptycznym, półokrągłym, sześciobocznym o wymiarach (kwadrat) œ 16 mm.
Otrzymywanie drutu przebiega następującymi etapami:
1. iglicowanie (zaostrzenie końca na kuźniarkach lub w odpowiednich walcach);
2. wyżarzanie zmiękczające (stale twarde);
3. trawienie w 2,5-4% kwasie siarkowym H2SO2;
4. płukanie w wodzie i neutralizowanie w mleczku wapiennym Ca(OH)2 i suszenie w komorach w temperaturze 120-200°C;
5. przeciąganie
a. na sucho – na wapno nakłada się smar. W ten sposób otrzymuje się druty o powierzchni jasnej, błyszczącej.
b. na mokro – wytrawioną walcówkę zanurza się w wodnym roztworze siarczanu miedzi CuSO4. Po pokryciu walcówki cienką warstewką miedzi wkłada się ją do emulsji z mąki żytniej i drożdży, po czym przeciąga się ją na mokro. Emulsja z miedzią działa jak smar i nadaje drutowi charakterystyczny kolor. W ten sposób uzyskuje się drut lepszy i trwalszy, jednak droższy.
Drut jest przeciągany przez ciągadło (oczko), którego główną częścią jest stożek roboczy, w którym zachodzi odkształcanie plastyczne metalu; zadaniem stożka smarującego jest doprowadzenie odpowiedniej ilości smaru do stożka roboczego. Ciągadła wykonywane są ze stali stopowych chromowych, twardych metali (spieki węglików wolframu, tantalu, tytanu) oraz diamentu (ciągnienie bardzo cienkich drutów).
Ciągnienie bywa przeważnie wielostopniowe, tzn. drut przechodzi przez szereg ciągadeł stopniowo, zmniejszając swój przekrój. W zależności od zawartości węgla w stali daje się większe lub mniejsze stopnie zgniotu.
Z=[(S0-S1)/S0] x100%
Dla stali niskowęglowej zgniot dochodzi do 40%; dla stali wysokowęglowej do 30%. Pierwsze zgnioty stosuje się większe a następnie mniejsze, gdyż przeciągnięcie powoduje utwardzenie.
Aby odzyskać własności plastyczne należy drut po przeciąganiu poddać wyżarzaniu rekrystalizującemu.
Rodzaje ciągarek
Zwykle stosuje się ciągarki jedno lub wielobębnowe napędzane od silnika przez wspólny wał poziomy, którego ruch obrotowy jest przenoszony na poszczególne bębny o osiach pionowych za pomocą przekładni stożkowych.
Przy ciągarkach wielostopniowych należy uwzględnić wydłużanie się drutu, najlepiej stosując bębny o zwiększających się średnicach lub zwiększonej prędkości obrotowej.
Do przeciągania prętów i rur stosuje się ciągarki łańcuchowe.
Patentowanie drutu jest to obróbka cieplno-mechaniczna, polegająca na nagrzaniu drutu do temperatury powyżej Ac3, tj. temperatury austenityzacji a następnie chłodzeniu w roztopionym ołowiu nagrzanym do temperatury 450-550°C, gdzie następuje hartowanie izotermiczne, po którym uzyskuje się strukturę drobnopłytkowego perlitu lub górnego bainitu. Struktura ta umożliwia uzyskanie w wyniku przeciągania bardzo dużej wytrzymałości Rm=3200MPa
