Прокат в металлургии: виды, сферы применения

О чем речь? Прокат в металлургии – продукция, получаемая путем горячей или холодной прокатки металлов на специальных станках. Она используется в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.

Какой бывает? Основные виды – листовой, сортовой (арматура, уголок, швеллер) и трубный прокат. Каждый тип отличается формой, размерами и областью применения.

Особенности проката в металлургии

Идея обработки металла методом прокатки возникла еще в Средние века. Однако широкое распространение данная технология получила лишь в 19 веке, прежде всего в Европе, где в этот период активно развивалось строительство железных дорог. Это и стало стимулом для роста спроса на прокатную продукцию.

Первоначально рельсы производили из чугуна, но уже в первой половине позапрошлого века в Англии на замену чугуну пришла сталь, что значительно повысило надежность металлоконструкций.

На начальном этапе данным методом производились в основном рельсы для железных дорог. Позже прокатная технология стала использоваться в судостроении — создавались, например, бронированные покрытия для судов.

Таким же образом изготавливались различные детали для паровозов. В 1859 году российским механиком В. С. Пятовым был спроектирован и запущен первый специализированный стан для прокатки броневых листов. Это значительно упростило производство защитных элементов для кораблей. Ранее это делалось методом ковки и последующей многослойной сборки.

Ранние прокатные установки имели простое устройство: движение валков обеспечивалось водяными колесами. Позднее стали применять паровые машины. Горячий металл в них перемещали вручную, поэтому весь процесс характеризовался слишком большой трудоемкостью.

Фото: rorozoa / Freepik

Производство проката в металлургии представляет собой технологическую операцию, во время которой форма металлической заготовки изменяется посредством пластической деформации между вращающимися валками. Металл пропускается между этими элементами с определенным зазором, благодаря чему вытягивается и получает заданные очертания.

Работа прокатного оборудования строится на взаимодействии двух физических факторов: вращения валков и вызываемой ими силы трения. Соприкосновение вращающихся элементов с поверхностью заготовки вызывает трение, которое способствует ее движению через стан. В то же время металл подвергается сжатию, в результате чего изменяются его форма и сечение. Заготовка в итоге становится плоской.

В металлургии пользуются термином «профиль». Так называют форму поперечного сечения прокатываемого изделия. Если заготовка имеет одинаковую конфигурацию по всей длине, профиль считается постоянным. Разные участки заготовки также могут иметь разную форму. В таких случаях говорят о переменном или периодическом профиле.

Отдельно стоит рассмотреть технологию, внешне напоминающую прокатку. Речь идет о вальцовке. Во время этой операции металл также механически деформируется. Однако воздействие направлено на конкретные участки заготовки. Таким способом получают сложные изогнутые формы (цилиндрические, конические и др.).

Виды проката в металлургии

На современном металлургическом производстве налажен выпуск стандартных видов изделий. Предприятия включают в себя доменные и сталеплавильные цеха, прокатные линии, заводы по изготовлению трубопроката и метизов. Производственное оборудование обеспечивает процессы плавки, разливки, деформационной обработки, а также последующей термической и механической доработки металлов и сплавов.

Классификация по материалу

В качестве сырья для металлапроката используют руду. В зависимости от типа рудного материала различают изделия из черных или цветных металлов, а также из их многочисленных сплавов.

Сырье выбирается исходя из требуемых от изделия свойств, таких как прочность, гибкость, устойчивость к коррозии или способность проводить ток.

Прокат в черной металлургии включает в себя железо и его сплавы. Наиболее распространена сталь. Ее производят различными способами: в кислородных конвертерах, электродуговых печах или мартенах.

С точки зрения химического состава сталь делят на углеродистую (содержит до 2,14 % углерода) и легированную, в которой присутствуют хром, никель, молибден и ванадий. Низкоуглеродистые марки используются в производстве труб, арматуры и листов. Из высокоуглеродистой стали чаще всего делают канаты, пружины и режущий инструментарий.

Легирование металла выполняется с целью улучшения характеристик. Легированные стали сравнительно прочнее, обладают большей стойкостью к высоким температурам и коррозии.

Цветные металлы (алюминий, медь, никель, цинк, титан) также широко применяются в различных отраслях. На их основе производят деформируемые сплавы (прокат, прессованные профили, проволоку) и литейные сплавы (методом фасонного литья).

Фото: Ra-Dragon / Unsplash

В качестве примеров продукции из цветмета можно назвать латунь, бронзу, силумин и баббит. Цветной прокат необходим в авиа- и кораблестроении, электротехнике и космической отрасли.

Классификация по способу производства

В основе производства проката лежат два метода: горячий и холодный. Они отличаются температурными условиями, а также способами воздействия на структуру и свойства металлической заготовки.

Горячая прокатка осуществляется при температурах, превышающих порог рекристаллизации металла (для стали этот порог находится на уровне 1000–1200 градусов Цельсия). Заготовку разогревают и постепенно обжимают между валками для изменения ее сечения. Этим обеспечивается пластичность материала и его податливость к деформациям.

Холодная прокатка производится без нагрева, при температуре окружающей среды. Заготовку прокатывают между валками для получения более тонких изделий с точными размерами. В результате этого процесса повышаются твердость и прочность, но металл становится менее пластичным. Этот эффект дает так называемый наклеп.

Поэтому для повышения пластичности металл подвергают отжигу — нагревают до 600–800 градусов Цельсия, а затем медленно охлаждают. Таким методом изготавливают фольгу, проволоку, ленты, евроштакетник и тонколистовую сталь.

Классификация по форме сечения

По геометрии поперечного сечения прокат делится на пять основных видов: трубный, сортовой, листовой, рулонный и нержавейку.

Каждый из них обладает своими характеристиками и сферой применения.

• Трубный прокат включает в себя сварные и бесшовные трубы различных диаметров и с разной толщиной стенки. Основные методы производства – прошивка, прокатка и волочение. Трубы широко используются для транспортировки жидкостей и газов, а также в строительстве и машиностроении.
• Сортовой прокат — это изделия с простой формой сечения: круг, квадрат, шестигранник, уголок, швеллер, двутавр. Такую продукцию изготавливают на специальных станках и в дальнейшем используют при производстве метизов, рельсов, крепежа, пружин, балок и прочих металлоконструкций.
• Листовой прокат представлен плоскими металлическими листами. По толщине в свою очередь подразделяется на тонкий (до 4 мм) и толстый (более 4 мм). Выпускается как горячим, так и холодным способами. Листовой металл затем применяется в строительстве, машиностроении, судостроении и других отраслях.

Фото: romanzaiets / Freepik

• Рулонный прокат — это листы и ленты малого сечения, которые предварительно свернуты в рулоны для более удобного хранения и перевозки. Производятся такие изделия на непрерывных и реверсивных линиях. Используются в изготовлении профнастила, гофролиста, металлочерепицы.
• Нержавеющий прокат получают из сталей с высоким содержанием хрома и никеля. Он устойчив к агрессивным средам и перепадам температур. Включает в себя различные трубы, листы, проволоку и уголки. Нержавейка востребована в медицине, пищевой и химической промышленности, а также в архитектуре и декоре.

Отдельно стоит отметить прокат в машиностроении, представленный металлическими изделиями с высокими показателями прочности.

Сферы применения сортового и фасонного проката в металлургии

Сортовой прокат

Сортовой прокат отличается правильной геометрической формой поперечного сечения (круги, квадраты, шестигранники, полосы и т. п.).

В зависимости от характеристик изделия могут выполнять разные функции. Например, крупные круглые заготовки идут в производство бесшовных труб методом горячей прокатки. Более тонкие круглые стержни превращаются в оси, валы, кольца или втулки (то есть, элементы различных узлов и механизмов).

Квадратный прокат в свою очередь становится основой для труб с прямоугольным и квадратным сечением. Кроме того, из заготовок делают полосы и листы, используемые затем в производстве профлиста, металлочерепицы и других стройматериалов.

Из шестигранных заготовок чаще всего делают разнообразный крепеж: гайки, болты, винты и т. д. Также из них изготавливают инструмент (отвертки, кованные штампы и подобные изделия).

Фасонный прокат

Фасонный прокат производится из заготовок с прямоугольным или квадратным сечением. Для придания нужной формы их пропускают через прокатные линии с валками, которые деформируют металл как по горизонтали, так и по вертикали.

Принято классифицировать фасонный прокат на две категории:

• универсального назначения (уголки, швеллеры, двутавровые балки);
• специального назначения (рельсы, шпунты, полособульбы).

Фасонный прокат в основном необходим для создания прочных несущих конструкций. Благодаря своей форме и наличию ребер жесткости такие изделия выдерживают значительные нагрузки. По этой причине они являются основными элементами в строительстве зданий и мостов, а также в возведении перекрытий и опор.

Его применяют при укреплении береговой линии, строительстве корпусов судов и других технически сложных объектов. Область применения фасонного металлопроката весьма широка.

Часто задаваемые вопросы о прокате в металлургии

Из каких этапов состоит процесс проката в металлургии?

Всего выделяют три основных этапа. Сперва формируется заготовка, для чего она пропускается через прокатный стан. В процессе происходит ее удлинение и одновременное уменьшение толщины.

На втором этапе заготовка обжимается между вращающимися валками. Эта операция позволяет добиться нужной толщины и формы. Степень изменения размеров рассчитывают по формуле:

(H-h)/H•100 %.

На последней стадии, следующей после прокатки, металл приобретает окончательные геометрические параметры. В зависимости от особенностей прокатного оборудования и настроек процесса можно получить трубы, листы, полосы, проволоку, прутки и другие изделия.

Какое оборудование применяется для изготовления проката в металлургии?

Главным производственным инструментом является прокатный стан, состоящий из одной или нескольких клетей — механизмов, внутри которых непосредственно осуществляются сжатие и деформация металла. Клети связаны между собой и могут быть дополнены вспомогательным оборудованием.

Различают следующие основные типы станов в зависимости от их назначения:

• листопрокатное оборудование дает на выходе плоские изделия;
• трубопрокатное оборудование предназначено для изготовления труб;
• на сортопрокатных станках изготавливают прутки, полосы и уголки;
• на рельсобалочном оборудовании производят рельсы и балки;
• специализированные станки необходимы для выполнения уникальных производственных задачи.

Кроме того, прокатные установки бывают горячей и холодной прокатки. Это определяется температурой обработки металла.

Как проверяют качество проката в металлургии?

Чтобы проверить соответствие проката требованиям и стандартам, прокат подвергают целому ряду испытаний. Механическая проверка определяет прочность на растяжение и изгиб, а также твердость изделия. Ударные испытания проверяют металл на сопротивляемость резким нагрузкам. Помимо этого выполняются ультразвуковая диагностика, радиография и другие способы выявления внутренних дефектов.

Поэтому главными потребителями металлопроката являются промышленные и строительные предприятия. Тем не менее, разнообразие марок и форм позволяет подобрать оптимальный материал под любую задачу, от изготовления тончайшей фольги до возведения мощных несущих конструкций.

Изображение в шапке статьи: EyeEm / Freepik