Производство плоского материала, сохраняющего плоскостность
В течение последних десятилетий немало было написано о принципах правки и способах производства плоского рулонного металла. В последнее время помимо этих вопросов большую важность приобрели вопросы разработки технологий, которые обеспечили бы сохранение материалом своей плоскостности в процессе последующей обработки (лазерная или плазменная резка, сварка и другие процессы производства и переработки). Слишком часто оказывается, что кажущийся плоским металл утрачивает свою плоскостность. Сегодня мы понимаем, что это происходит, в первую очередь, по причине неравномерно распределенных внутренних напряжений. Может казаться, что плоский металлический лист находится в состоянии покоя, но в действительности внутри него происходит «борьба гигантов», прямо на наших глазах, но незаметно.
Внутреннее напряжение может быть внесено в рулонный металл при различных обстоятельствах на разных этапах производства. Обычно неравномерные внутренние напряжения возникают в полосе уже на металлургическом заводе-производителе в ходе прокатки. Некоторые части полосы подвергаются большему воздействию, чем другие. В дополнение к этому, по мере охлаждения материала внешняя и внутренняя части рулона охлаждаются неравномерно. Изменение материала также может быть вызвано последующим воздействием существенного перепада температур. Типичным примером является следующая ситуация: рулоны, хранящиеся в нагретых помещениях, транспортируются в холодное время года, а затем нагреваются в цеху обработки. Имеет значение и то, что металл расширяется и сжимается с различной скоростью, - это вносит дополнительные напряжения. Да и сам процесс правки, при котором улучшается плоскостность материала, способен усилить внутреннее напряжение. Ответственность за внутреннее напряжение несет не одно конкретное воздействие, а многие, и это причина неизбежности последствий.
При общем понимании и единодушии в отношении основных принципов правки, продолжаются споры о том, какой именно способ правки является наилучшим для уменьшения внутренних напряжений и пружинения полосы. Для ответа на этот вопрос требуется понимание самого процесса внутренней «борьбы», которое поможет найти причины эффективности одних технологий правки по сравнению с другими.
Плоскостность и напряжение
Зачастую плоскостность определяется как разность длин между кромками материала. Это означает, что части полосы на некоторых участках действительно длиннее, чем другие. Таким образом, внутреннее напряжение может быть описано как состояние, при котором одни части полосы находятся в состоянии напряжения, при этом другие части «расслаблены» (см. кривую напряжения-деформации). Части полосы, обозначенные как C и D, находятся в состоянии напряжения. Хотя связь плоскостности и наличия напряжений очевидна, каждая из этих проблем уникальна, именно так и следует их рассматривать. Если вы когда-либо посещали семинар по правке или читали статью на эту тему, то знаете, что ключевым вопросом неизменно является важность преодоления предела текучести металла при правке. Это обеспечивает сохранение изменений в структуре материала. Если вы воздействуете на металл с преодолением предела текучести, то предыдущее состояние материала уже не имеет значения. Это основополагающее требование при производстве плоской полосы, а также ключ к производству плоского металла, сохраняющего свою плоскостность.
Металл может казаться плоским и находящимся в состоянии покоя, однако его участки, отображенные на наклонном отрезке кривой деформации, фактически находятся под напряжением.
Для обеспечения плоскостности металлической полосы необходимо избирательное удлинение ее частей. Если некоторые участки полосы длиннее, чем другие, то единственный способ достижения плоскостности материала – это достаточное удлинение более коротких участков с целью достижения равной длины всех частей листа по его ширине.
Чтобы избавиться от пружинения, напряжение на всех участках полосы должно быть уравновешено за счет удлинения материала по всему поперечному сечению, сверху донизу и от края до края, с выходом за предел текучести материала для удаления памяти материала о прежнем состоянии. В итоге, случайное и неравномерное внутреннее напряжение становится равномерным, то есть весь материал приводится в такое состояние, когда он может равномерно отпружинить в одну и ту же точку кривой напряжения-деформации. Следовательно, для изготовления полосы, которая сохранит свою плоскостность, необходимо как удлинение более коротких участков для достижения равномерности размеров и плоскостности, так и достаточное удлинение всей полосы с прохождением через предел текучести материала для выравнивания внутренних напряжений. Кроме того, важно отметить, что снятие напряжения материала не обязательно означает достижение плоскостности, и напротив, возможно достижение плоскостности материала без снятия внутреннего напряжения.
Роликовые правильные машины
Роликовые правильные машины осуществляют последовательный изгиб полосы в вертикальной плоскости посредством роликов достаточного диаметра с целью растяжения внешних и внутренних поверхностей полосы за пределом текучести материала. Чем меньше ролик, тем больше пластическая деформация материала в поперечном сечении. Чем больше расстояние от внешней поверхности до центральной или «нейтральной» оси, тем больше пластическая деформация. «Нейтральная» ось или волокно - это воображаемая линия или область посередине поперечного сечения материала, которая в процессе изгиба не подвергается ни растяжению, ни сжатию. В итоге материал, находящийся в этой нейтральной зоне, никогда не проходит свой предел текучести.
Роликовые правильные машины обладают также способностью избирательного растяжения материала от края до края. Они включают в себя ряды опорных роликов, положение которых может регулироваться по вертикали таким образом, чтобы придать изгиб рабочим роликам в процессе правки. В результате намеренного изгиба рабочих роликов, траектория движения некоторых участков полосы вынужденно удлиняется. В итоге, некоторые участки полосы растягиваются в длину сильнее, а другие, наоборот, слабее или не растягиваются вообще. В этом и заключается проблема. При достижении равномерности размеров и плоскостности полосы, некоторые ее участки продолжают пребывать в состоянии напряжения, не достигнув состояния покоя. Фактически, эти участки находятся под напряжением, как указано на кривой деформации. Может казаться, что полоса находится в состоянии покоя, но некоторые участки материала все еще пребывают в состоянии напряжения и сдерживаются соседними участками. При их высвобождении в процессе последующей рубки или резки материала напряженные участки, до этого плоские, отпружинят в свое исходное состояние, зачастую далекое от плоского.
Сегодня мощные роликовые правильные машины позиционируются на рынке как способные к выравниванию напряжений. Действительно, это оборудование может обрабатывать материал с большим усилием, чем обычные роликовые правильные машины, но и они не могут обеспечить прохождения предела текучести материала по всей толщине полосы за счет простого изгиба полосы между роликами. Не могут они также обеспечить равномерного распределения напряжения от края до края полосы. Однако именно эти два фактора являются ключевыми в производстве материалов с низким внутренним напряжением. Помимо этого, все роликовые правильные машины чувствительны к исходной форме материала. При правке роликами существуют определенные пределы улучшения плоскостности, которое может быть достигнуто в данном технологическом процессе.
Изображена полоса до правки. Кривая напряжения-деформации отображает участки полосы, наиболее сильно растягиваемые в длину, а также участки, растяжение которых слишком мало, чтобы достигнуть точки предела текучести материала.
Дрессировочные станы
На данный момент для снятия напряжения материала производители часто используют дрессировочные станы в линиях поперечной резки полосы. Как указано выше, для снижения неравномерных внутренних напряжений весь материал должен быть подвергнут удлинению или растяжению с прохождением предела текучести. Дрессировочные станы осуществляют это за счет сжатия. Полоса слегка растягивается благодаря сдавливанию материала между двумя валками, причем усилие сжатия достаточно для уменьшения его толщины. Обычно удлинение составляет не более 1-2 %. Несмотря то, что большинство дрессировочных станов обладают способностью дальнейшего удлинения полосы, это может существенно изменить качество металла. Поэтому некоторые потребители ограничивают допустимое растяжение, чтобы избежать таких изменений.
Дрессировочные станы часто ассоциируются с процессами производства плоского металла, однако сам по себе стан еще не делает лист плоским. Несмотря на то, что стан растягивает полосу по всему поперечному сечению, степень удлинения в общем одинакова. Стан не имеет возможности избирательного удлинения участков полосы, а ведь именно это требуется для коррекции формы. В итоге получается, что возможно снятие напряжения материала без его правки. Следовательно, остается необходимость применения роликовых правильных машин, способных сделать материал плоским. Для удаления дефектов (волнистый край или коробоватость середины полосы) требуется пропустить полосу через роликовую правильную машину после ее выхода из стана. Поэтому в линиях поперечной резки полосы зачастую используются роликовые правильные машины в сочетании с дрессировочным станом. Однако процесс правки в роликовой машине приводит к повторному появлению напряжения в полосе, что может перечеркнуть достигнутое на дрессировочном стане. Если обработка полосы в дрессировочном стане будет слишком жесткой, то появятся проблемы с формой. Если обработка полосы в роликовой правильной машине будет чересчур интенсивной, это может свести на нет или существенно уменьшить преимущества использования стана. Эта система также чувствительна к исходной форме материала. Правило «лом на входе - лом и на выходе» действует. При том, что сочетание дрессировочного стана и роликовой правильной машины способно дать плоский материал с равномерным напряжением, эти две системы зависят друг от друга. Помимо этого, производительность данного сочетания оборудования по-прежнему зависит от возможностей роликовой правильной машины, определяемых качеством исходной формы материала, а также умением оператора.
Правка в растяжной правильной машине
В отличие от обычных правильных машин, растяжная правильная машина производит правку без гибки. Растяжная правильная машина может работать в линии поперечной резки металла. Полоса сначала растягивается, а затем подвергается последовательной поперечной резке на заданные листы или просто по размеру. Встраиваемая в линию растяжная правильная машина состоит из пары рам на входе и выходе. Эти рамы могут настраиваться в зависимости от требуемой длины листа или длины растяжения. В нужный момент каждая рама захватывает материал по ширине. Обе рамы соединены большими гидравлическими цилиндрами. Под давлением цилиндры отталкивают рамы друг от друга. Давление, оказываемое цилиндрами, превышает общую текучесть материала (толщина х ширина х текучесть), и полоса последовательно растягивается в направлении движения. Подающая система линии постепенно протягивает материал через растяжную машину. После каждого цикла подачи, когда материал останавливается для резки, часть полосы правится растяжением.
Дополнительно к достаточному растягиванию материала в длину, в ходе чего достигается прохождение предела текучести всем материалом, снизу до верху и от кромки до кромки, некоторые участки полосы в силу особенностей самого процесса растягиваются более других. В итоге материал получается растянутым по всему поперечному сечению на общую длину или расстояние, причем эта длина достаточна и для достижения равномерности размеров, и для уравновешивания напряжения материала. Не требуется никакой дополнительной обработки. В конечном итоге получается более однородный и более стабильный материал, чем это бывает после других процессов правки.
Полоса слегка удлиняется за счет сжатия материала между двумя валками с достаточной силой.
При том, что правка в растяжной правильной машине является одним из старейших и наиболее эффективных способов правки, до сих пор отсутствует достаточное понимание принципов действия данного процесса. Обычно высказываются соображения о том, что в ходе данного процесса материал подвергается более тщательной обработке, чем в других способах правки. Следовательно, как и на дрессировочном стане, если материал подвергнется «перегрузке», то изменятся и его свойства. Однако в то время как дрессировочный стан удлиняет полосу на 1-2 %, растяжная правильная машина удлиняет материал только на 0,3–0,5 %. Что касается процентного соотношения удлинения, требуемого процессом, растяжная правильная машина оказывает весьма незначительное влияние на физические свойства материала. В отношении правки формы следует отметить, что если материал имеет волнообразный край или коробоватость центра, то полоса в этой зоне длиннее. Следовательно, для правки материала нужно удлинить короткие участки полосы, чтобы уравнять их с более длинными и достичь плоскостности материала. При этом независимо от метода, используемого для удлинения полосы? все машины должны будут удлинять эти зоны одинаково для достижения плоскостности материала. В результате процент удлинения будут примерно одинаковый. Растяжная правильная машина производит больший объем работ в силу растягивания материала по всей толщине. Тем не менее, ни один конкретный участок полосы не подвергается большей нагрузке, чем в других видах процесса правки с достижением того же результата.
По причине уникальности процесса, обусловленной отсутствием необходимости гибки, некоторое время существовало мнение, что материал, растянутый в растяжной правильной машине, в конечном итоге возвратится обратно к своей первоначальной форме (по крайней мере, частично). Некоторые придерживаются этого мнения до сих пор. Однако, как и во всех правильных процессах, после преодоления материалом предела текучести память о предыдущих состояниях удаляется. Независимо от способа растягивания (гибка на роликах, удлинение силой сжатия или просто растягивание с применением «грубой силы»), при выходе за предел текучести материала конечный результат одинаков.
Растяжные правильные машины просты в установке и эксплуатации, они не требуют от оператора особых умений. Если материал на выходе недостаточно плоский, оператору нужно просто повысить степень растяжения до такого значения, при котором он будет получать требуемый результат. Вместе с достижением плоскостности материала выравниваются его внутренние напряжения. Вместе с этим растяжные правильные машины гораздо менее чувствительны к форме материала на входе. Они не используют валки, поэтому их способность к правке не ограничена изгибом валков. В итоге продукция, получаемая на выходе, фактически не зависит от исходной формы.
Вывод
Сегодня многие производители предлагают оборудование, рекламируемое как средство производства «качественного» материала, подвергнутого дрессировке или правленого растяжением. Существует целый ряд способов правки плоского проката, но все они имеют собственные ограничения. Следовательно, для достижения наилучших результатов в каждом типе правки важно знать ограничения, свойственные каждому виду оборудования.
При том, что некоторые участки полосы растянуты более других, весь материал прошел точку предела текучести и будет отпружинивать последовательно.
