Опыт промышленного применения волочения растяжением при производстве проволоки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.778.06
Дата публикации:
21 сентября 2021, 16:53
Категория:
А10. Оборудование и технологии прокатки
Авторы
Юдушкин Иван Денисович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Арюлин Сергей Борисович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Приведены сведения о технологии и составе оборудования установки по производству гладкой и арматурной проволоки для ответственных строительных конструкций. Проанализированы преимущества данного производства по сравнению с предприятиями по выпуску аналогичной продукции, использующими традиционные методы волочения и прокатки. Сделаны выводы о том, что исключение промежуточной химической обработки заготовки влечет за собой значительное ускорение процесса, уменьшение энергетических и экономических затрат. Это приводит к удешевлению получаемого изделия, что положительно сказывается на конкурентоспособности предприятия.
Ключевые слова:
волочение, растяжение, промышленная установка, проволока, прокатка, строительные конструкции
Основной текст труда

Введение

После ковки волочильное производство считается древнейшим видом обработки металлов давлением. Волочение широко применяется в производстве пруткового металла, проволоки, труб, фасонных длинномерных изделий постоянного сечения. Цель настоящей статьи — изложенить промышленный опыт получения проволоки высокого качества методом волочения растяжением.

Волочение — обработка металлов давлением, при которой изделия (заготовки) круглого или фасонного профиля (поперечного сечения) протягиваются через круглое или фасонное сужающееся отверстие (фильеру) в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. На рис. 1 представлена схема процесса волочения c монолитной неподвижной волокой. Процесс волочения осуществляется на волочильных станах, основными частями которых являются волоки и устройство, тянущее через них металл. В зависимости от типа тянущего устройства различают станы: с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепной, реечный); с наматыванием обрабатываемого металла на барабан (барабанный). Станы барабанного типа обычно применяются для получения проволоки. Число барабанов может доходить до двадцати. Скорость волочения достигает 50 м/с. Процесс волочения сопровождается не только изменением геометрической формы и размеров заготовки, но и существенными изменениями физико-механических свойств и структуры обрабатываемого металла, так, например, при холодном волочении (чаще всего волочение производят без дополнительного нагрева заготовки) предел прочности деформируемого металла увеличивается в 1,5–2 раза.  

Рис. 1. Схема процесса волочения c неподвижной волокой

В практике волочения степень деформации часто характеризуют коэффициентом вытяжки, показывающим, во сколько раз увеличилась длина протягиваемого металла. Коэффициент вытяжки при волочении составляет обычно за один проход 1,25...1,45. Если волочение невозможно осуществить за один проход вследствие большого обжатия, то назначают несколько последовательных проходов через ряд волок.

Наряду с монолитными волоками получили распространение составные (сборные) волоки. Составные волоки образуются несколькими сопряженными частями и применяются в основном для волочения фасонных профилей. Достоинства составных волок — универсальность, большая износостойкость и простота ремонта изношенных вкладышей, возможность применения для изделий крупных сечений относительно небольших вкладышей из твердых сплавов, обеспечивающих повышенную стойкость, точность готового профиля и высокую скорость волочения. Этим окупается более высокая стоимость составных волок по сравнению с монолитными волоками из стали.

К составным относятся также роликовые волоки, которые находят применение при производстве проволоки различного назначения в широком диапазоне форм и размеров сечений, причем наибольшее распространение они получили при волочении прямоугольных, трапециевидных и круглых профилей. Большой практический интерес, проявляемый к волочению в роликовых волоках, обусловлен рядом преимуществ данного способа, сочетающего в себе ряд достоинств процессов волочения и прокатки. Заготовка, проходя через волоки, может получить деформацию до 55 %, причем сила волочения будет значительно меньше, чем при волочении в монолитных волоках, что достигается заменой трения скольжения в монолитных волоках на трение качения в роликовых волоках.

Роликовые волоки состоят из нескольких вращающихся роликов, зазор между которыми образует требуемый калибр. Регулирование размера калибра в этих клетях производится осевым перемещением роликов, а соединение между собой осей в систему, замыкающую в себе усилия деформации металла, позволяет отказаться от массивной станины клети и значительно упрощает ее конструкцию, снижает массу и уменьшает габариты. На рис. 2 представлена схема процесса волочения в роликовых волоках.

К преимуществам роликовых волок относятся также меньшая потребляемая мощность, повышенная скорость при той же мощности, увеличение обжатия за переход и общих обжатий между отжигами; сокращение числа промежуточных отжигов и операций травления; возможность применения недорогих смазок, улучшение физических свойств проволоки. Эти преимущества особенно велики при волочении малопластичных и склонных к налипанию на инструмент металлов и сплавов. Эти волоки хорошо зарекомендовали себя при производстве прутков и проволоки фасонного сечения, например, трефового сечения для гвоздей, квадратного сечения для пружинных шайб, профильного сечения для изготовления маслосъемных колец, проволоки для армирования железобетона. 

Рис. 2. Схема волочения в роликовых волоках

Учитывая большие перспективы применения процесса волочения, технологии этого метода обработки металла давлением постоянно совершенствовались. Разработаны технологии волочения с применением в процессе ультразвука и электрического тока.

Волочение с наложением ультразвуковых колебаний на протягиваемый металл существенно снижает его сопротивление деформированию и коэффициент трения в очаге деформации. Особенно эффективно применение ультразвуковых колебаний для труднодеформируемых сплавов, у которых при высоких скоростях снижается пластичность, а при нагреве происходит деформационное старение [1].

Волочение труднодеформируемых, в частности, тугоплавких сплавов, с использованием электропластического эффекта, впервые исследовали в работах ученые О.А. Троицкий и В.И. Спицин. Они установили, что при пропускании электрического тока через протягиваемый образец заметно снижаются напряжение и усилие волочения. Наибольший электропластический эффект (ЭПЭ) наблюдается при пропускании через металл импульсного тока высокой частоты — порядка 103 А/мм² в течение 104 с. Использование ЭПЭ позволило не только интенсифицировать процесс волочения, но и исключить операции подогрева заготовок и волок, которые необходимы при традиционной технологии получения проволоки из тугоплавких металлов, например, вольфрама [2].

Во время прохождения технологической практики на ООО «Завод «Армикон», которое занимается производством мостовых и строительных металлоконструкций (в том числе для московского метрополитена и высотных зданий Москва-Сити), автору удалось ознакомиться с установкой STRETCH DRIVE, на которой применена технология волочения проволоки растяжением (так называемое «бесфильерное волочение»), заключающаяся в том, что холодная пластическая деформация металла осуществляется за счет многократного изгиба заготовки с натяжением в системе регулируемых роликов. Поскольку данный способ ограниченно представлен в специальной литературе [3–10] и реальное его применение носит единичный характер, предлагаемые материалы статьи, посвященные компоновке оборудования установки STRETCH DRIVE ООО «Завод Армикон» и технологии получения гладкой и арматурной проволоки для ответственных металлоконструкций с использованием волочения растяжением могут представлять интерес для специалистов в области обработки металлов давлением [11].

Оборудование и технология

Установка STRETCH DRIVE разработана и изготовлена для производства холоднодеформированной металлической проволоки за счет процесса растяжения и волочения. В сортамент установки при использовании кассет прокатки также входит арматурная проволока.

Исходными заготовками для волочения на стане являются бухты горячекатаной металлической проволоки диаметром 6...12 мм весом в 2 т. Для заготовок в основном используется сталь 3.

В оборудование установки STRETCH DRIVE входят: вертикальный размотчик, блок вытягивания/удаления окалины, блок обработки материала, горизонтальный моноблок протяжки прутка, держатель кассет прокатки, вертикальный намотчик катушек, панель управления. На рис. 3 представлена общая схема установки.

Рис. 3. Общая схема установки

Вертикальный размотчик (рис. 4) служит для размотки исходного материала и состоит из вертикальной платформы с основанием и размотчиком и вертикального отдающего устройства, содержащего таль, накопительную каретку с барабаном, крюк и направляющий ролик прутка.

Рис. 4. Вертикальный размотчик

Подвижная в вертикальном направлении платформа при волочении обеспечивает более плавное разматывание бухты проволоки с размотчика, что предохраняет от образования петель при разматывании.

C вертикального размотчика проволока подается в блок вытягивания/удаления окалины который выполняет следующие действия: осуществляет процесс растяжения проволоки, уменьшает сечение проволочного прутка с помощью специальных роликов, осуществляет процесс волочения проволоки, удаляет с проволочного прутка поверхностный слой окиси, который образуется во время горячей обработки на прокатном стане. Блок (рис. 5) состоит из рамы, в которой установлены четыре нерегулируемых холостых ролика и четыре ролика, имеющих возможность вертикального перемещения.

Рис. 5. Блок вытягивания / удаления окалины

Расстояние между роликами регулируется в зависимости от того, какое обжатие заготовки необходимо на выходе. На пульте управления выставляется требуемый диаметр проволоки, после чего верхние подвижные ролики блока, смещаются в вертикальном направлении относительно неподвижных нижних роликов. Данная система за счет неоднократного изгиба проволоки между роликами позволяет растягивать проволоку в длину, что приводит к уменьшению ее диаметра. Также за счет многочисленных изгибов с заготовки снимается окалина, которая остается на металле после процесса горячей прокатки. Тем самым блок позволяет произвести пластическую деформацию металла и снять окалину, что позволяет не применять перед процессом волочения химическую обработку поверхности заготовки, а также улучшает свариваемость проволоки при дальнейшей ее обработке.

При проходе проволоки через ролики в очаге деформации в металле появляются растягивающие напряжения, в зависимости от того, на сколько сведены верхние ролики относительно нижних изменяется величина деформации и вытяжка.

При получении арматурной проволоки в установке предусмотрено использование кассет прокатки, дающих возможность создания ребер на гладкой проволоке. Для осуществления этого процесса установка содержит блок обработки материала, предназначенный для подготовки поверхности исходного материала до ее дальнейшей обработки. Блок обработки материала (рис. 6) состоит из корпуса-емкости и приводного шнека.

Рис. 6. Блок обработки материала

В емкости, сквозь которую проходит проволока, находится смазка с добавлением дисульфида молибдена. Попадая с помощью шнека на поверхность металла, молибденовая смазка образует слой толщиной около 5 мкм. Один атом серы прочно закрепляется на металле, а второй находится снаружи, между ними находится молибден. В результате подобного взаимодействия образуется трехслойное нано-покрытие. Первый слой — атомы серы, надежно сцепившиеся с металлической деталью. Второй слой — молибден. Снаружи вновь слой атомов серы. Дисульфид молибдена обладает низким коэффициентом трения (от 0,03 до 0,06) и обладает высокой адгезией с металлами.

На гладкую проволоку с нанесенной смазкой рифление накатывается после растяжения. Для этого на стан устанавливаются кассеты (рис. 7) с двумя рядами из трех роликов. Ролики расположены относительно друг друга под углом 120°. При проходе арматурной проволоки через первый ряд роликов накатываются три ребра, а при проходе через второй ряд роликов наносится непосредственно рифление. В зависимости от диаметра арматуры регулируют расстояние между роликами, изменяя его при помощи поворотных винтов, соединенных с роликами при помощи червячной передачи. Это позволяет обеспечивать настройку кассет вручную.

Рис. 7. Кассета прокатки

Привод стана (движение проволоки) осуществляется от протяжного барабана (рис. 8), на котором расположены 4 протяжных кольца, а также прижимные ролики, прижимающие проволоку к барабану и не дающие ей скользить по нему, что обеспечивает плавность работы стана и предохраняет проволоку от «вылета» за пределы направляющего кольца. Также протяжной барабан оснащен щупом для заправки арматурной проволоки.

Рис. 8. Протяжной барабан

Направляющие ролики (рис. 9) установлены в конце линии перед вертикальным намотчиком катушек. Они способствуют ровному наматыванию проволоки на вертикальную катушку.

Рис. 9. Направляющие ролики

Вертикальный намотчик катушек (рис. 10) предназначен для смотки готовой проволоки на разъемную катушку. Намотчик состоит из корпуса, узла вращения катушки с приводом и тормозом и узла бабки.

Рис. 10. Вертикальный намотчик катушек

Система управления данного стана позволяет обеспечить автоматизацию процесса волочения. Автоматические функции, программирование и рабочая последовательность стана управляются устройством числового программного управления — ЧПУ. Управление ведется с рабочего места оператора при помощи пультов управления.

Российский рынок металлопроката все более соответствует европейским стандартам. Арматура B500C до недавнего времени не производилась на территории РФ, но в последние годы несколько предприятий (в том числе ООО «Завод Армикон») наладили постоянное производство арматуры холоднодеформированной данного класса. Производство арматуры на каждом из предприятий осуществляется по собственным техническим требованиям и техническим условиям, но существует определенный стандарт, который регламентирует производство арматуры B500C: ГОСТ 52544–2006. У арматуры В500С (рис. 11) огромный потенциал в строительной отрасли, благодаря своим техническим характеристикам.

  Рис. 11. Арматура класса В500С ООО «Завод Армикон»

Основные характеристики и достоинства арматуры В500С:

  • значение относительного удлинения: более 1,4 %;
  • отношение условного предела течения к временному сопротивлению: 1,15...1,20 %;
  • предельная прочность не менее 500 н/мм2;
  • временное сопротивление не менее 550 н/мм2;
  • относительное удлинение при максимальной нагрузке (более 3 %);
  • не скручивается при размотке, так как арматура имеет трехстороннее рифление, и у нее нет лампасов;
  • улучшенная свариваемость, благодаря чему экономится электроэнергия;
  • прекрасно подходит для использования на европейском оборудовании, поскольку соответствует европейским стандартам.

Заключение

Анализ технологии получения строительной арматуры высокого качества и состава оборудования установки STRETCH DRIVE для ее реализации показал достижение ряда положительных показателей:

  • экономии производственного пространства;
  • повышения производительности;
  • автоматизации производственного процесса.

Исключение промежуточной химической обработки заготовки влечет за собой значительное ускорение процесса, уменьшение энергетических и экономических затрат. Это ведет к удешевлению получаемого изделия, что положительно сказывается на конкурентоспособности предприятия.

Литература
  1. Прокатка и волочение с ультразвуком / В.П. Северденко и [др.]. Минск: Наука и техника, 1970. 288 с.
  2. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко, А.В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск: Наука и техника, 1973. 288 с.
  3. Cпицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 160 c.
  4. Троицкий О.А. Электропластический эффект в процессах обработки металлов давлением // Металлургия машиностроения. 2010. № 4. С. 45–48.
  5. Сташенко В.И., Троицкий О.А., Новикова Н.Н. Электропластическое волочение чугунной проволоки // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 2. С. 85–88.
  6. Бахматов Ю.Ф., Пащенко К.Г. Технологические основы пластической обработки катанки в совмещенном процессе бесфильерного волочения с ультразвуком // Сталь. 2014. № 8. С. 80–82.
  7. Харитонов В.А., Иванцов А.Б., Лаптева Т.А. Обработка проволоки растяжением. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2012. 162 с.
  8. Пащенко К.Г., Бахматов Ю.Ф., Голубчик Э.М. Влияние пластического растяжения — изгиба в совмещенном процессе удаления окалины — волочения на свойства проволоки // Сталь. 2011. № 3. С. 47–49.
  9. Бахматов Ю.Ф., Пащенко К.Г., Кальченко А.А., Белов А.С., Тютеряков Н.Ш. Совмещенный процесс бесфильерного волочения и очистки поверхности катанки // Металлург. 2014. № 4. С. 88–91.
  10. Бахматов Ю.Ф., Пащенко К.Г. Устройство для волочения проволоки. Пат. на полезную модель RU 122920 Российская Федерация, заявл. 12.07.2012, опубл. 20.12.2012, бюл. № 35. 1 с.
  11. Schnell group. Официальный веб сайт Шнелл Россия. URL: https://www.schnell group.ru (дата обращения 01.04.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.