Ниже изложена краткая история теории и практики плоской периодической (и вообще периодической - сейчас говорят ШАГОВОЙ) прокатки (в основном, естественно согласно известной монографии Тетерина П.К. - 'Теория периодической прокатки', Москва, Металлургия, 1978, -256 с.). И даже если автора данного сайта интересует в основном именно теория процесса, без истории практических свершений обойтись невозможно, и она присутствует в полной мере (автор старается везде дать связь теории и практики). Желающие узнать больше о ученых и изобретателях, имена коих встречаются в нижеприведенном обзоре, могут обратиться к странице Персоналии. О последних свершениях в области периодической прокатки узнавайте из текущей литературы, например, из обзора,  работы и др.

     В намерения автора сайта входит также создание 'дерева ученых' - представленной в виде иерархической структуры (типа 'генеалогического дерева') информации о личностных соотношениях 'учитель - ученик(и)' в области периодической деформации - см. по этому поводу.

Оглавление данной страницы :

• Введение
  • Напряженно-деформированное состояние прокатываемого металла при периодической деформации
• Станы Краузе
  • Циклическая продольная разнотолщинность ('волнистость') проката
  • Составляющие 'волнистости' готового проката
    • Влияние реальной упругой деформации рабочей клети и проката на параметры (геометрические, деформационные и энергосиловые) периодической прокатки
    • Изучение влияния параметров процесса на величину циклической продольной разнотолщинности ('волнистости') проката - индивидуальная работа (мини-исследование) с компьютерной математической моделью процесса
  • Дробность деформации при периодической прокатке
• Раскатные станы Платцера
  • Влияние профиля рабочего участка на параметры процесса проката
  • Расчет параметров мгновенного очага деформации
    • Изучение влияния параметров процесса на изменение геометрических, деформационных и энергосиловых параметров - индивидуальная работа (мини-исследование) с компьютерной математической моделью процесса
• Планетарные станы
  • Планетарный стан Платцера
  • Планетарный стан Дайдо
  • Планетарный стан Пиккена
  • Планетарный стан Сендзимира
• Стан с качающимися валками
• Стан с качающимися сегментами

• Основа процесса периодической прокатки (или деформации, что более общо́) - обычный процесс ковки (см. скульптуру 'Перекуем мечи на ора́ла'); используется как свободная ковка (без ограничения течения металла в плоскости, нормальной основному направлению деформации), так и с применением различных ограничений (например, 'ручьёв'). Главное в процессе то, что о́ный осуществляется постепенно, отдельными порциями (кстати, процесс забивки гвоздя молотком - иэ той же серии!), а не сразу или непрерывно (что, возможно, неосуществимо вообще из-за необходимости приложения чрезмерных или слишком длительных усилий).
  
• Итак, народ давно понял, что многократно повторяемыми небольшими усилиями можно достичь многого. Не могу не привести литературные ссылки (связанные с сутью процесса периодической деформации) - пословицу 'Капля камень то́чит' и вечное высказывание тов. О.Бендера по поводу того, что, мол, лучше отдать часть, чем потерять целое (это по поводу образа жизни подпольных миллионеров).
  
• Таким образом, процесс периодической деформации - самый естественный (и самый древний!) процесс обработки (металлов) давлением (без сомнения, ещё первобытные кузнецы похожим образом обрабатывали свой первобытный же металл, постепенно ударами молота 'оттягивая' металл заготовки и превращая её в плуг или лезвие меча).
  
• Название процесса (и одноименного стана) происходит от немецкого 'pilger' - пилигрим, странник, что подчёркивает монотонную повторяемость движений рабочего органа стана (как пилигрим бесконечно бродит по свету).
  
• Похоже, что обычная плоская металлопрокатка - намного более молодой процесс (по сравнению с рассматриваемым)... Например, Рейнгард Маннесман ещё в 1896 г. запатентовал (патент Германии № 84778, 1896) 'Способ периодической прокатки и стан с планетарно движущимися рабочими валками для осуществления этого способа' (см. адреса фирмы 'Mannesman Demag')!
• В последние годы интерес к станам периодической прокатки ещё более возрос в связи с развитием литейно-прокатных агрегатов - установок, в которых стан периодической деформации прокатывает только что отлитую на машине непрерывного литья (часто горизонтального) заготовку. Оказалось, что производительность машин непрерывного литья и станов периодической прокатки близки, а указанное сочетание агрегатов обеспечивает большую гибкость производства (например, быструю смену сортамента продукции) при хорошем качестве проката (достигающая 90÷95% суммарная деформация за пропуск обеспечивает высокие механические свойства проката); производительность же совмещенных установок вполне адекватна потребностям промышленности в прокате подобного рода. Для информации о совмещенных установках литья-прокатки см. статью, обзор и работу.

• В работе предложена классификация процессов продольной периодической прокатки, основанная на специфических чертах процесса, статья рассматривает вопросы выбора рациональных конструктивных и технологических параметров периодической прокатки.

• Напряжённо-деформированное состояние (НДС) проката в процессе периодической прокатки в основном благоприятно для осуществления деформации. Обычно (для плоской периодической прокатки) это схема двумерной деформации (деформация сжатия со стороны рабочих валков, деформация растяжения по оси прокатки и малая - часто приравниваемая нулю - поперечная деформация); напряженное состояние - всестороннее сжатие. Естественно, в различных точках проката возможны вариации сказанного - например, НДС на поверхности и в центре проката различно, НДС резко ухудшается на кромках полосы etc (подробнее см. работу).

       Именно с кромок полосы обычно и начинается ее разрушение, только потом оно распространяется на всю ширину полосы. Часто возникающиеся на кромках полосы трещины (направленные обычно под углом около 45 град. к оси прокатки - 'ковочный крест' - соответственно направлению максимальных касательных напряжений) расчленяют прокатываемый металл на отдельные (перпендикулярные направлению прокатки) полоски.

  

        Итак, на приведённом выше рисунке схематически показано НДС для случая плоской периодической прокатки; слева - напряжённое состояние, справа - деформированное состояние (для случая плоской деформации деформация по оси Z близка к 0, в этом случае Z-товая компонента напряжения суть полусуммы X-вой и Y-вой).
  

Пожалуй, первыми станами полосовой периодической (пилигримовой) прокатки были станы Краузе (см. статью изобретателя этих станов - журнал 'Iron and Steel Engineer', 1938, № 8, p.18÷29). В 1945 г. в статье Келлера (Keller I.D., 'Steel', 1945, № 16, p.108÷109) дано подробное описание двух полосовых станов Краузе, находящихся в то время в эксплуатации. Схема полосовой прокатки на станах Краузе приведена на рисунке.
     Рабочая клеть состоит из подвижной станины 2 и сепаратора, в которых находятся рабочие валки 1. Оси рабочих валков в сепараторе удерживаются параллельно одна относительно другой в плоскости, нормальной оси прокатки. Подвижная станина и сепаратор с заключенными в нем рабочими валками совершают возвратно-поступательное движение, привод осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма.
     Прокатываемая полоса 3 обжимается (с исходной толщины 2×H₀ до конечной 2×H₁) только при прямом ходе рабочей клети (слева направо на рисунке), во время обратного хода вабочие валки заготовки не касаются (обратный ход рабочей клети в станах Краузе является холостым).
     Подвижная станина снабжена скрепленными с ней профилированными планками 2, на которые в процессе обжатия опираются валки и которые воспринимают давление прокатки. Вертикальные составляющие усилия прокатки вследствие этого замыкаются внутри подвижной станины рабочей клети. Движение рабочим валкам и сепаратору при рабочем ходе клети сообщается посредством опорных плит станины, при это валки получают как вращательное, так и поступательное движение (вращательно-поступательное перемещение валков осуществляется под действием сил трения, возникающих на контактной поверхности валков с опорными плитами и прокатываемым металлом).

Горизонтальная составляющая усилия прокатки воспринимается кривошипно-шатунным механизмом, эта же составляющая усилия прокатки приводит к возникновению продольных напряжений в прокатываемой полосе со стороны подачи ее в стан.
     Вследствие профилировки опорных плит валки во время рабочего хода клети сближаются, из-за этого профиль зоны обжатия 3 имеет форму клина, высота которого изменяется от толщины исходной заготовки 2×H₀ до толщины готового проката 2×H₁.

В конце рабочего хода опорная плита имеет горизонтальный участок, на протяжении которого расстояние между валками остается постоянным; таким путем достигается выравнивание или калибровка полосы по толщине в продольном ее направлении.
     Исходная заготовка непрерывно подается вперед в процессе всей прокатки (во время рабочего и холостого ходв рабочих валков). Подача осуществляется путем винтового зажимного устройства либо при помощи пары установленных перед рабочей клетью стана приводных валков.

Вследствие первоначального контакта заготовки с рабочими валками (при каждом цикле прокатки) в конце холостого или в самом начале рабочего хода клети (когда скорость сепаратора весьма незначительна), ударные динамические нагрузки на валки в станах Краузе практически отсутствуют - это преимущество станов Краузе.

Другим важным преимуществом станов Краузе следует считать привод рабочих валков не через шейки, а через бочки оных. В результате исключается прогиб валков не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости - а это дает возможность прокатывать на станах Краузе листы большой ширины.

В то же время величина хода подвижной станины в этих станах приблизительно вдвое превышает величину хода сепаратора. Перемещение больших масс с переменным (дважды во время каждого рабочего хода) по величине и направлению ускорением приводит к динамическим эффектам, что ограничивает число ходов клети в единицу времени - это недостаток станов Краузе.

     Станы Краузе применялись для холодной и теплой прокатки тонких полос из различных металлов и сплавов (в том числе труднодеформируемых), однако широкого применения в промышленности не нашли - в немалой степени из-за отмеченных выше недостатков.

• Решение каких теоретических проблем связано с появлением станов Краузе? Именно в этот момент впервые появилось правильное (с учетом условия постоянства объёма металла при деформации) представление о механизме деформирования (см. упомянутую ранее работу изобретателя - журнал 'Iron and Steel Engineer', 1938, № 8, p.18÷29). Дальнейшее развитие представление о механизме деформации при периодической прокатке получило в 1940 г. работах Емельяненко П.Т. ('Теория и практика металлургии', № 3, Харьков, 1940, с.12÷18) , Целикова А.И. и Ирошникова А.Н. ('Сталь', 1940, № 12, c.21÷24).

• Конечно, при проектировании станов Краузе пришлось решать задачи геометрического (и, наверное, хотя бы частично, кинематического и динамического) анализа; делалось это, конечно, примитивными графоаналитическими способами и ни о какой серьезной оптимизации (например, конструктивных параметров механизма стана) речи не было (провести сотни/тысячи численных графоаналитических вычислений нереально даже для трудолюбивого немца).

• Стоял ли в то время вопрос о выборе рационального профиля зоны обжатия? Количественно - вряд ли... еще не пришло время оптимизировать - работало бы... А ведь в станах Краузе профиль обжимного участка на заготовке прямо определяется профилем опорных плит, так что регулировка профиля обжимного участка путем профилирования планок прямо напрашивается... так что подобные нижеприведенной работы для тех времен были бы, пожалуй, несколько преждевременными. С другой стороны, сравни схему станов серии ХПЛ-650 конструкции ОАО 'Институт ЦВЕТМЕТОБРАБОТКА' со схемой стана Краузе - многое полезное (например, привод валков не за шейки, а по всей длине бочек - что дает возможность прокатывать листы большой ширины) сохранено, а вредное (необходимость перемещения в процессе прокатки массивной станины, да еще с переменными по величине и знаку ускорениями) - устранено.
• Выше сказано, что в конструкции стана Краузе использованы специальные решения (специальный профиль опорных плит) для создания калибровочного участка на заготовке с целью устранения циклической продольной разнотолщинности (волнистости) заготовки, свойственной самому процессу периодической деформации.
  

       Каков же механизм образования 'волнистости' на прокатанной полосе? см. рисунок ниже...

  

       'Волнистость' образуется потому, что на каждый цикл обжатия приходится вполне определенная подача m исходной заготовки, при этом готовая полоса перемещается (вдоль оси прокатки) на величину m×H₀/H₁ (где H₀ и H₁ - толщины исходной заготовки и готовой полосы, отношение H₀/H₁ именуется 'суммарной вытяжкой за пропуск' и обозначается обычно греческим символом μ). В результате на готовой полосе образуются 'волны' с периодом, равным суммарному линейному смещению m×H₀/H₁; причем впадины и вершины 'волны' имеют высоту H₁^min и H₁^max соответственно (см. рис. справа).
       Ясно, что высота 'волн' увеличивается с возрастанием подачи и суммарной вытяжки, хотя обычно величина 'волнистости' (строго - циклической наведенной продольной разнотолщинности) невелика - редко превышает единицы процентов; для устранения 'волнистости' вслед за станом периодической деформации часто устанавливают обычный стан продольной прокатки для 'выглаживания' полосы.
       Как уменьшить 'волнистость'? Часто применяют т.н. 'полирующий (калибрующий)' участок (т.е. небольшой отрезок в конце рабочего участка длиной не менее m×H₀/H₁, где валок движется параллельно оси прокатки); на этом участке заготовка выглаживается (полируется, калибруется).

       А как думаете - величина 'волнистости' зависит от величины подачи - линейно? квадратично? А как она зависит от толщины заготовки, от вытяжки?... Сначала проведите мысленный эксперимент, а потом выгрузите на свой компьютер входящий в пакет OMD модуль PILIG, реализующий расчёт параметров плоской периодической прокатки, поработайте с ним и проверьте свою гениальность в проведении мысленного эксперимента (а вдруг Галилео Галилей и в подмётки не годится?).

  • ВНИМАНИЕ! Не следует путать вышеиспользуемое понятие 'волнистости' (в смысле - циклической наведенной продольной разнотолщинности, при этом осевая линия прокатанной заготовки остается прямолинейной, а изменяется только ее толщина) с разнотолщинностью, обусловленной отклонением от прямой линии осевой линии прокатанной заготовки или разнотолщинностью в поперечном (относительно полосы) направлении. К сожалению, обычно в реальном процессе присутствуют несколько составляющих разнотолщинности (да и разделить их непросто - особенно по происхождению), да и с терминологией не все так просто (существует, например, понятие планшетности)... однако Вы предупреждены!

• Кстати, интереснейшие эффекты получаются вследствие сложения (суперпозиции) неравномерности толщины готовой полосы, вызванной неравномерностью объема подачи при периодической прокатке (даже если толщина исходной заготовки неизменна, то величина подачи практически всегда непостоянна), и наведенной станом продольной разнотолщинностью - оказывается, для минимизации общей разнотолщинности полосы имеется возможность выбрать рациональное значение упругой податливости рабочей клети - см. статью.

  На леворасположенном рисунке приведена схема, поясняющая (в самом общем виде, разумеется) методику расчёта параметров процесса плоской периодической прокатки с учетом упругой деформации рабочей клети стана и проката (т.н. 'метод (алгоритм) Баканова', подробнее см. вышеуказанную статью и работу).

       А как думаете - при более 'мягкой' клети максимум усилия прокатки снизится или повысится по сравнению с прокаткой в более 'жёсткой' клети? А продольная разнотолщинность возрастет или снизится? Выгрузите на свой компьютер входящий в пакет OMD модуль PILIG, реализующий расчет параметров плоской периодической прокатки с учетом реальной упругой податливости клети стана и самого проката, поработайте с ним (проведите вычислительный эксперимент) и проверьте свою догадливость...

     На данное программное обеспечение получено СВИДЕТЕЛЬСТВО о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2015661338 (Федеральная служба по интеллектуальной собственности Российской Федерации - Роспатент, дата поступления 11.IX.2015 г., зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 26.X.2015 г.).
  

Особо интересен случай, когда заготовка в процессе деформирования не закреплена (на такой режим приходится идти, если при неподвижном закреплении заготовки в ней возникают излишние продольные усилия). Это штатный режим для станов ХПТ, но там подача ограничена (производительность достигается большим числом циклов прокатки в единицу времени); для стана ХПЛ быстроходность невелика, а подача относительно большая - отсюда и продольные напряжения в заготовке велики.

   Для расчёта геометрических, кинематических и деформационных параметров процесса на стане ХПЛ была разработана методика решения системы из 6-ти нелинейных алгебраических уравнений (рис. справа); причем 1-е и 2-е уравнения решались численно.

   В этой системе уравнений для каждого положения рабочего валка заданными считаются:

R - радиус рабочего валка,
B - ширина заготовки,
m - величина подачи,
H₀ - полутолщина заготовки,
y₀ - расстояние от оси прокатки до центра рабочего валка,
γ₀ - угол, определяющий сечение выхода прокатываемого материала из мгновенного очага деформации (МОД) при неподвижной заготовке,
ω - угловая скорость вращения рабочего валка,
ρ - радиус-вектор положения мгновенного центра скоростей рабочего валка,
Q₀ и Q₁ - продольные усилия в заготовке и полосе соответственно;

   а подлежат определению:

α - угол, определяющий сечение входа прокатываемого материала в МОД,
γ - угол, определяющий сечение выхода прокатываемого материала из МОД,
γ_н - угол нейтрального сечения в МОД,
V_α - продольная скорость готового проката,
V_γ - продольная скорость заготовки,
V_γн - продольная скорость перемещения прокатываемого материала в нейтральном сечении МОД;

обозначения величин см. на расположенной ниже схеме прокатки.

   Т.к. усилия Q₀ и Q₁ сами по себе зависят от перемещений концов заготовки (ко́и, в свою очередь, определяются интегрированием скоростей V_α и V_γ) по времени, процедура решения еще более усложняется (требуется дополнительный внешний итерационный цикл), но вполне доступна даже для вычислительных мощностей современных ПЭВМ.

Первые сведения о прокатке полос на раскатных станах Платцера появились в 1957 г. (Platzer F. 'Berg und Huttenmaschine', 1957, № 4, s.115÷126). Следует различать раскатной стан Платцера и планетарный стан Платцера (упоминание о последнем относится к 1964 г., см. ниже).
     Рабочие валки 1 (см. рисунок) опираются на промежуточные валки 2, последние - на неподвижные опорные плиты 3. Рабочие и промежуточные валки заключены в сепаратор, в котором они удерживаются в плоскости, нормальной к (горизонтальной) оси прокатки. Сепаратор вместе в валками совершает возвратно-поступательное движение, привод - кривошипно-шатунный механизм. Опорные плиты имеют профилированный скос и горизонтальный участок, в результате первого валки при рабочем ходе сближаются и обжимают полосу 4. На горизонтальном участке опорных плит валки перемещаются параллельно и выравнивают толщину полосы по ее длине.
     Назначение промежуточных валков - обеспечение вращения рабочих валков в желаемом направлении (а оно определяется кинематикой процесса прокатки).

В раскатном стане Платцера (в отличие от конструкции Краузе) воспринимающая усилие прокатки массивная станина исключена из состава движущихся масс рабочей клети, а протяженность хода движущихся масс равна протяженности зоны обжатия полосы. Из-за этого цисло циклов прокатки в единицу времени (быстроходность стана) может быть значительно увеличено, что обеспечивает соответствующее повышение производительности этих станов (по сравнению с конструкцией Краузе).

В раскатном стане Платцера мощность к рабочим валкам подводится через сепаратор или шейки валков, к которым приложена горизонтальная составляющая усилия прокатки. Из-за этого рабочие валки в готризонтальном направлении во время рабочего хода подвергаются поперечному изгибу, что, естественно, ограничивает ширину прокатываемой полосы (трудно создать длинный рабочий валок необходимой прочности) - это недостаток конструкции раскатного стана Платцера.

     Также как и станы Краузе, раскатные станы конструкции Платцера не нашли широкого промышленного применения (однако положительные свойства описанной конструкции использованы при создании станов серии ХПЛ-650.

• Что поимели наука и практика с появлением конструкции раскатного стана Платцера? Ясно, что изобретатель старался повысить быстроходность стана - именно поэтому он (талантливо) исключил из массы подвижных частей массивную станину (теперь перемещается только сепаратор с валками). Профиль обжимного участка на заготовке по-прежнему полностью определяется профилем опорных планок (так как качание сепаратора исключено).
  

     Серьезным достижением конструктора серии станов ХПЛ-650 (а базовой конструкцией при этом являлся раскатной стан Платцера) стала как раз возможность обеспечения (жестко заданного механизмом привода) качательного движения рабочих кассет, что дало возможность получить удовлетворительный профиль обжимного участка (а значит, и закон распределения частных обжатий вдоль последнего) даже при прямолинейных опорных планках. Правда, отрицательным последствием этого явилось повышение скорости находящихся в контакте с прокатом окружности рабочих валков (при отсутствии качания эта скорость практически нулевая) - отсюда и скольжение валков по прокату и, соответственно, продольные усилия в заготовке. Режим прокатки 'плавающей' заготовки - не самый элегантный (но, впрочем, давно используемый в практике - например, в пилигримовых станах горячей прокатки труб) выход из создавшегося положения (см., напр., работу).

       В чем же суть влияния профиля рабочего (обжимного, переходного) участка на закон распределения частных обжатий вдоль последнего? На вышеприведенном рисунке схематично показано два характерных случая - слева профиль рабочего участки близок к прямой (соединяющей точки начала и конца рабочего участка), справа показан профиль с интенсификацией обжатий в начале рабочего участка (в обоих случаях все другие параметры процесса одинаковы - толщины заготовки и полосы H₀ и H₁ соответственно, длина рабочего участка L, изменяется только профиль зоны обжатия).      Из рисунка видно, что в первом случае максимум частных (и относительных) обжатий и длины мгновенного очага деформации (второй сверху ряд графиков, слева) имеет максимум в конце зоны обжатия; соответственно изменяется и усилие прокатки P (нижний ряд). При интенсификации обжатия описанные максимумы сдвинуты ближе к началу зоны обжатия (правый столбец графиков).
  

  

       Итак, изменяя профиль рабочего участка (пока неважно, каким путем), возможно чувствительно регулировать закон изменения обжатий и усилий вдоль рабочего участка. Естественно, при соответствующей настройке можно добиться минимума усилия прокатки на рабочем участке (это приблизительно соответствует и минимуму момента прокатки), см. работу); этот режим близок к требованию достижения максимальной работоспособности рабочей клети стана периодической прокатки.

  

       При периодической прокатке длина мгновенного очага деформации (C₁B₁ на рис. сверху) изменяется от начала к концу рабочего участка (а значит, и усилие и момент прокатки также непостоянны по длине рабочего участка, однако при каждом следующем рабочем ходе процесс повторяется - при неизменных остальных параметрах процесса). Одна из самых главных задач при расчетах процессов периодической деформации - определение длины мгновенного очага деформации (МОД).
  

  

       В настоящее время основой для определения размеров МОД служит т.н. 'правило Емельяненко', дающее возможность рассчитать величины частного обжатия и мгновенного линейного смещения (A₁B₁ на рис. сверху), длину МОД после этого можно вычислить исходя из величины частного обжатия - например, по приближенной формуле, известной из теории обычной продольной прокатки (символом SQRT обозначено вычисление квадратного корня):

  длина МОД = SQRT((частное обжатие) × (радиус рабочего валка))

       В приведенной формуле под частным обжатием понимается обжатие в текущем сечении по длине рабочего участка, рассчитанное на полную толщину проката (на 2×H по вышерасположенному рисунку).

       Cуществует множество (часто довольно сложных) методик, уточняющих 'правило Емельяненко' - например, Матвеевым Б.Н. предложен метод, позволяющий учитывать форму деформирующего инструмента - рабочего валка - см. работу).
       Итак, на основе 'правила Емельяненко' можно оценить величину частного (а значит, и относительного) обжатий и длину МОД для каждой точки по длине рабочего участка (заметим, что эти величины являются функциями не только координат рабочего участка в данной точке, но и зависят от профиля рабочего участка во всех предыдущих точках - т.е. от профиля рабочего участка от начала его до заданной расчетной точки).
       Зная длину МОД, ширину полосы и величину среднего давления в МОД (действуют закономерности, подобные принятым в теории обычной продольной прокатки), не представляет труда определить усилие прокатки; момент прокатки приходится вычислять путем умножения крутящего момента относительно мгновенного центра скоростей рабочего валка (его положение может изменяться по на рабочем ходе) на мгновенное передаточное отношение от рабочего валка к валу привода (также может быть непостоянным).
       Вопросы расчета профиля рабочего участка для случая заготовки, имеющей возможность продольно перемещаться во время рабочего хода, значительно более сложны и решаются с помощью численных процедур (см., например работу и статью).

       Однако часто ставится куда более сложная (обратная) задача - рассчитать профиль рабочего участка исходя из условия достижения максимального использования пластических свойств проката. В самом деле, показанный слева на вышеприведенной схеме вариант обжатий характеризуется резким повышением абсолютных (показаны на графике) и тем более относительных обжатий в конце рабочего участка, где металл уже сильно наклепан и его ресурс пластичности практически исчерпан - значит, тут он и разрушится. На правой схеме максимум деформации приходится на начало рабочего участка, где прокатываемый металл еще не исчерпал свой ресурс пластических свойств - этот вариант лучше вышеразобранного. Но, быть может, и здесь металл 'затрещит' из-за превышения его возможностей к пластическому деформированию?...
       Таким образом, в каждом конкретном случае (если знать априори, какому обжатию можно подвергнуть прокатываемый металл исходя из предъистории его нагружения) можно попытаться определить наиболее рациональный для этого материала закон изменения обжатий и максимальное значение подачи, при которой прокатка еще возможна без разрушения. Этот подход можно назвать выбором профиля рабочего участка из условия максимальной интенсификации процесса (естественно, с учетом налагаемых ограниченными пластическими свойствами реальных прокатываемых металлов ограничений).
       Итак, известны пластические свойства прокатываемого металла (условно говоря, известно, какую степень деформации можно дать - без опасения разрушения материала - с учетом того, насколько и как уже деформировался этот материал - это т.н. предъистория нагружения), надо определить профиль рабочего участка на заготовке и максимально возможную подачу (а потом, если надо, и профиль инструмента, конструктивные параметры стана и др.). Решение основной задачи предложено, например, в работе (предложена графоаналитическая итерационная процедура расчета, ресурс пластичности прокатываемого материала определяется, естественно, только экспериментальным путем - это сама по себе большая и сложная задача - см., например, статью).

       Для периодической прокатки важно понятие дробности деформации. Дробность деформации при периодической деформации суть величина, показывающая, за сколько циклов прокатки деформируется объем заготовки, равный объему подачи. Например, для плоской периодической прокатки дробность деформации 'n' определяется как (величина безразмерная) :

  n = (площадь поперечного сечения участка обжатия) /  (подача × H₀)

       Естественно, числитель этого выражения суть интеграл от функции профиля рабочего участка по длине оного (а если не ограничивать себя плоской деформацией, то еще сложнее - но не в этом суть). Обычно величина дробности деформации при периодической прокатке - несколько десятков (иногда - несколько сотен).
       Вообще-то считается, что чем больше дробность деформации - тем лучше (это интуитивно понятный принцип - проще сделать определённую работу не сразу, а за несколько - как можно больше - приемов); но при этом возможности данного процесса и оборудования могут быть реализованы неполностью... кстати, согласно приведенному выражению дробность деформации при прокатке согласно приведенному слева (на рис. выше) профилю рабочего участка больше, чем по правому (при одинаковой подаче, естественно)! Таким образом, величина дробности деформации - довольно грубая оценочная величина.

       Желаете почувствовать вышесказанное не теоретически, а на практике? Выгрузите на свой компьютер входящий в пакет OMD модуль PILIG, реализующий расчет параметров плоской периодической прокатки и поработайте с ним - весьма показательно! Желаю удовольствия в работе...

       Ещё один огромный минус конструкции раскатного стана Платцера - привод валков за шейки, что вызывает изгиб последних и, в конечном итоге, ограничивает длину бочки (и ширину проката). Здесь надо обратиться к схеме Краузе - привод валков по всей длине их бочек. В станах серии ХПЛ-650 проблема решена - валки (рабочие, промежуточные и опорные ролики) помещены в подвижную кассету, и шейки рабочих валков полностью свободны от тянущих усилий со стороны кривошипно-шатунного механизма (эти усилия воспринимаются шейками 'толстых' промежуточных валков).

• В истории периодической прокатки стан Краузе и раскатной стан Платцера символизируют два больших направления конструкций - станы с подвижной и станы с неподвижной рабочей клетью.
  К первым относятся, например, всем известные станы ХПТ - станы холодной прокатки труб, ко второй - например, пилигримовые станы горячей трубной прокатки. Интересно, что возможен средний вариант - станы ХПТР (станы роликовой холодной прокатки труб, разработка которых ассоциируется с ВНИИМетМаш'ем и Носалем В.В.), в которых подвижная кассета перемещается в подвижной же станине.
       Похоже, что оба основных типа станов имеют право на существование, однако каждый конструктор понимает, что конструкция с подвижной станиной ограничивает быстроходность (а значит, и производительность); схемы с подвижной станиной обычно оправданы при необходимости получения изделий повышенного качества (например, особо тонкостенных труб - понятно, для какого применения) при, возможно, ограниченной производительности.

Маятниковые станы были предложены К.Закслем и были спроектированы и установлены английской фирмой 'Imperial metal Industries'; к концу 70-х г.г. в опытно-промышленной экплуатации было два маятниковых стана - первый для прокатки полосы шириной до 50 мм, второй - до 250 мм (быстроходность второго стана достигает 800÷1800 циклов прокатки в минуту).
     Маятниковые станы имеют одну пару рабочих валков 1, совершающих колебательное движение по круговой орбите (см. рисунок), при этом заготовка 2 обжимается до конечной толщины.

Каждый рабочий валок опирается на два опорных валка большего диаметра, опорные валки выполнены в виде роликовых подшипников, установленных на осях, имеющих жесткую по длине опору. Благодаря такой конструкции опорных валков рабочие валки свободно вращаются и имеют поддержку по всей их длине как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

     Вращение рабочих валков осуществляется под действием возникающих на контактной поверхности с металлом сил трения. Рабочие и опорные валки смонтированы на концах шарнирно закрепленных в cтанине рычагов, приводимых в колебательное движение кривошипно-шатунным механизмом. С целью преодоления инерционных эффектов и аккумулирования энергии возвратно-поступательных масс стана оси кривошипов снабжены маховиками.
     В маятниковых станах заготовка подается непрерывно с заданной постоянной скоростью (используются задающие валки) и обжимается как при прямом, так и при обратном ходе валков. Выходит же полоса из маятникового стана с переменной пульсирующей скоростью, поэтому для выравнивания скорости выходящей из стана полосы и скоростью моталки устанавливается гидропневматический 'танцующий' ролик.
     Как и в любом стане периодической прокатки, выходящая из маятникового стана полоса имеет наведенную продольную циклическую разнотолщинность (волнистость); для уменьшения ее величины применяют специальные устройства, перемещающиеся рабочие валки на конечной стадии рабочего хода почти параллельно оси прокатки (для полной ликвидации 'волнистости' применяется обычная холодная прокатка с обжатием до 20%).
     В маятниковых станах амплитуда колебаний маятников устанавливают таким образом, чтобы рабочие валки постоянно оставались в контакте с металлом - иначе работа стана будет сопровождаться ударными нагрузками, интенсивному износу рабочего инструмента и ухудшению качества поверхности проката (регулировка маятникового стана - достаточно сложная операция).

     В целом маятниковые станы предназначены для прокатки тонкого холоднокатаного листа из труднодеформируемых металлов и сплавов. На этих станах успешно прокатывали (в опытном и промышленном порядке) нержавеющую сталь, титан, фосфористую бронзу и др. материалы с вытяжкой 5÷27 за один пропуск, при этом температура полосы повышалась до 200÷400° Цельсия.

Столь интенсивный нагрев в зоне обжатия уменьшает сопротивление проката деформированию и снижает его наклеп (что и позволяет обжимать металл за один проход со столь большими обжатиями, недостижимыми при обычной холодной прокатки).

С другой стороны, достаточно часто встречаются специальные сплавы, имеющие 'провал' механических свойств (обычно повышенную склонность к растрескиванию, например, вследствие плавления свинцовой 'связки' между зернами сплава) как раз в указанном диапазоне температур - такие сплавы плохо подходят для прокатки на маятниковых станах.

• Маятниковые станы - типичный пример конструкции станов, основанной на принципе 'малая подача - высокая быстроходность' (к этому еще следует добавить и 'использование для деформации прямого и обратного хода').

• Из исследователей процесса прокатки на циклоидных станах (обеспечивающих движение деформирующих валков в конце рабочего хода параллельно оси прокатки с целью реализации калибрующего участка) станах известны Дж.Фрелинг и K.Видемер.

       Невозможно однозначно определить лучшую стратегию - вышеуказанную или же стратегию типа 'большая подача - относительно малая быстроходность' (обычно связанную с использованием для деформации только прямого хода рабочих валков, как в станах серии ХПЛ-650). Обычно важную роль играют размер, масса и сложность (в том числе обслуживания) оборудования, размер и требуемый объем выпуска проката, класс прокатываемых сплавов и, даже личные предпочтения конкретного конструктора (которые, естественно, нельзя считать полностью субъективными - хотя они и трудно алгоритмизируемы).

• Кстати, маятниковые станы как бы сами собой предназначены для работы с малыми подачами при большой быстроходности - ведь любая попытка увеличить длину обжимного участка (а это приходится делать при желании дать повышенную подачу - чтобы сохранить приемлемо большую дробность деформации) приводит к резкому возрастанию габаритов и веса (вследствие роста длины маятниковых рычагов).

Прокатка на станах с качающимися валками явилась одним из первых откликов на требования промышленности повысить гибкость производства путем совмещения нерерывной разливки с прокаткой (особенно в условиях производства проката различных размеров и относительно небольших объемов) - обычная сортовая прокатка проблемы не решала (см., например, статью). Известной немецкой фирмой 'Demag' разработан стан (патент № 1212564, 1970 г.) периодической прокатки с качающимися валками, предназначенный для проката получаемого непрерывной разливкой металла.

     Схема прокатки на этом стане показана на рисунке. Рабочий валок 1 и опорные валки 2 и 3 установлены в балансире 4, который связан с эксцентриком 5 непосредственно, а с эксцентриком 6 через шатун 7. При (синхронном) вращении обоих эксцентриков рабочий валок за каждый цикл прокатки описывает замкнутую криволинейную тректорию 8, имеющую форму вытянутой петли, в результате чего деформация осуществляется только во время переднего хода рабочего валка. Этот же валок на выходе из зоны деформации перемещается почти параллельно оси прокатки, из=за чего циклическая продольная разнотолщинность (волнистость) на поверхности прокатки практически не образуется.
     На станах подобного типа обычно прокатывается сортовая (квадрат или прямоугольник) заготовка, поэтому имеются две пары вышеописанных валков - горизонтальная и вертикальная, обжатия в горизонтальном и вертикальном направлениях осуществляются поочередно.

     Технические данные стана с качающимися валками следующие - максимальное сечение исходной заготовки 250×250 мм, сечение прокатанной полосы 70×70 мм, скорость подачи исходной заготовки 0.5÷2.0 м/мин, максимальное число рабочих ходов 225 в минуту, максимальная подача заготовки на один рабочий ход валков 10 мм, мощность главного привода 850 кВт.

     Утверждается, что применение стана с качающимися валками перспективно при создании совмещенных процессов непрерывной разливки стали и прокатки сортовой заготовки. В этом случае он будет выполнять роль обжимного стана, на котором можно получать исходную заготовку оптимального для (следующего за данным) обычного сортового стана сечения.

• Итак, рассмотренная конструкция стана с качающимися валками - типичная конструкция стана периодической деформации с 'усложненным' механизмом. Именно таким путем достигается (заданное) сложное движение рабочих валков. Естественно, здесь сразу возникает необходимость серьезного исследования геометрии, кинематики и динамики движения механизма стана... а потом и синтеза механизма в соответствие с некоторыми разработанными критериями - или хотя бы определения рациональных конструктивных параметров механизма стана, если схема жестко задана. Вот где раздолье для исследователя и (разумного) применения современных 'числовых молотилок'!

• Однако отметим тенденцию к постепенному усложнению механизмов станов периодической прокатки, что вызвано, конечно, все усложняющимися требованиями к (металлургической) продукции.

Прокатка на станах с качающимися сегментами - дополнительный ответ конструкторской мысли на требования снижения себестоимости проката, расширения сортамента и улучшению его качества. Стан с качающимися сегментами разработан немецкой фирмой 'Kocks' (см. адреса фирмы) в 1970 г., схема его работы приведена на рисунке.

     В качестве деформирующего инструмента в этих станах служат качающиеся сегменты, профиль рабочей поверхности которых представляет собой кривую сложной формы. Для избежания наведения периодической продольной волнистости сегменты имеют удлиненную калибрующую часть. Сегменты приводятся в движение тремя эксцентриками, в процессе деформации металла они движутся вращательно-поступательно (подобно рабочим валкам в станах холодной пилигримовой прокатки труб). Так же как в станах с качающимися валками, здесь металл попеременно обжимается вертикальной и горизонтальной парами сегментов.
     Отметим, что подача заготовки в стан обеспечивается осевой составляющей движения сегментов (подающее устройство отсутствует).Станы с качающимися сегментами могут успешно совмещаться с машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и/или быть установлены перед мелкосортными прокатными станами.

     Американская фирма 'Laclede Steel' (см. адреса фирмы) установила промышленный стан с качающимися сегментами перед непрерывным мелкосортным двухвалковым станом. На этом стане полученную непрерывной отливкой исходную заготовку сечением 180×180 мм обжимают до сечения 65×65 мм. На другом (установленном в Измире, Турция) промышленном стане заготовку с МНЛЗ сечением 200×200 мм обжимают с восьмикратной вытяжкой. Фирма 'Kocks' может выпускать станы с качающимися сегментами четырех типоразмеров, прокатывающих исходную заготовку сечением от 100×100 до 400×400 мм и вытяжкой до 8 за пропуск.

• Итак, еще более сложная консрукция - ещё больше необходимых расчётов и оптимизации! Лично мне особо нравится вышеприведенное словосочетание 'профиль рабочей поверхности сегментов представляет собой кривую сложной формы'... форма, естественно, достаточно сложна - я даже (пока) не представляю, как её рассчитать.

• С одной стороны, прокатка 'горячей' заготовки на подобных станах приведет к (очень) быстрому охлаждению заготовки (т.к. площадь контакта сегментов с прокатом в рассматриваемом случае, очевидно, очень велика), а прокатка 'вхолодную' вряд ли вообще возможна - из-за огромных усилий прокатки. К сожалению, в литературе глухо говорится о прокатываемых сплавах, но здравый смысл намекает на 'горячую' прокатку стали или 'холодную' прокатку весьма легкодеформируемых сплавов.

Станы планетарной прокатки - результат развития идеи осуществления возможно больших дефориаций за один проход в одной рабочей клети. Именно станы планетарной прокатки наиболее распространены среди всех конструкций станов плоской периодической прокатки, применяются для горячей и холодной прокатти с деформацией за пропуск до 90÷98%. Существует несколько известных конструкций станов планетарной прокатки - планетарные станы Пиккена, Т.Сендзимира и Ф.Платцера (ниже эти конструкции будут рассмотрены).

     Одна из наиболее удачных конструкций планетарного стана - планетарный стан Платцера, принципиальная схема которого показана на рисунке. Рабочие валки 1 через промежуточные валки 2 опираются на опорные балки 3, исполненные в виде неподвижных валков. Подушки рабочих и промежуточных валков размещены в гнездах сепараторов 4 и могут перемещаться в сепараторах в радиальных направлениях.
     В опорные балки вмонтированы профилированные рабочие планки 5, по которым в процессе обжатия полосы рабочими валками катятся промежуточные валки и которые вследствие этого воспринимают давление прокатки. Профиль сменных рабочих планок к конце зоны обжатия обеспечивает движение рабочих валков параллельно оси прокатки, в результате чего полоса на выходе из планетарной клети почти не имеет волнистости.

Часть рабочей планки, являющаяся основной и соответствующая зоне обжатия, может иметь любой заданный профиль - что позволяет получить необходимый профиль зоны обжатия и, соответственно, желаемое распределение частных деформаций по длине последней.

Промежуточный валок выполнен сборным и состоит из оси 6 и свободно вращающихся вокруг этой оси шайб 7. Ось промежуточного валка опирается на выступы 8 опорной балки и профилированной планки. Рабочий валок опирается на свободно вращающиеся шайбы промежуточного валка. Вследствие такого устройства промежуточных валков рабочие валки могут абсолютно свободно вращаться со скоростью, зависящей только от скорости течения металла в очаге деформации. Это исключает взаимодействие между соседними валками, одновременно находящимися в зоне деформации, сводит к минимуму проскальзывание рабочих валков в месте контакта их с металлом, уменьшает износ валков и расход энергии на прокатку, улучшает поверхность прокатанной продукции.

Привод планетарных валков в станах Платцера осуществляется через сепараторы, к которым приложен соответствующий крутящий момент. Вследствие этого рабочие валки в направлении, тангенциальном их движению по орбите, подвергаются изгибу. Поэтому на станах Платцера приходится ограничивать ширину прокатываемой полосы.
     Существует предложение (патент ФРГ № 1167301, 1964), согласно которому для повышения жесткости рабочих валков в тангенциальном направлении и возможного увеличения ширины прокатываемой полосы каждый рабочий валок опирается на два составных промежуточных валка.

Серьезный недостаток планетарного стана Платцера - сложность конструкции промежуточных валков, снижающая надежность их работы. Также сложна настройка стана.

     Первый промышленный планетарный стан Платцера был спроектирован и изготовлен немецкой фирмой 'Krupp Industriebau' и введен в эксплуатациюв 1965 г. на заводе немецкой же фирмы 'Bochumer Verein fur Gubstahl fabrication' в г.Бохум. Установка была названа станом Круппа-Платцера и из сляба сечением 90×400 мм прокатывает полосу толщиной 1,5÷8 мм, затем полоса сматывается в рулоны. Каждый планетарный комплект состоит из 24 пар рабочих и промежуточных валков диаметром 100 мм с длиной бочки 500 мм. Диаметр опорной балки равен 820 мм, скорость вращения сепараторов 120 об/мин, мощность двигателя главного привода 590 кВт. Величина подачи сляба на каждую пару рабочих валков составляет 0,5 мм, скорость выхода готовой полосы из стана 65 м/мин, допуск на толщину готовой полосы по всей длине и ширине не превышает 0,05 мм. Расход энергии при средней производительности 20 т/час составляет 32,5 кВт*час/т (значительно ниже, чем на обычных станах полосовой прокатки). Подача сляба в планетарные валки осуществляется парой задающих валков, смонтированной в одной станине с планетарной клетью.
     Из других подобных конструкций известны построенные 'Krupp Industriebau' станы для Японии (горячая прокатка слябов шириной до 300 мм) и для завода 'Vereinigte Deutshe Nikelwerke' в г. Шверте (прокатка полос толщиной 2÷10 мм и шириной 200÷420 мм из заготовки толщиной 90 мм и массой до 3 т из различных сплавов никеля и специальных сталей).
      Утверждается, что планетарные станы Платцера являются перспективными не только для горячей (как вышеописано), но и для холодной прокатки полосы ограниченной ширины.

     Фактически одной из разновидностей планетарного стана Платцера является стан Дайдо - стан с одним нижним комплектом планетарных валков (вместо верхнего комплекта устанавливается либо валок большого диаметра, либо неподвижные опорные плиты, 1951). Наиболее мощный и современный стан такого типа прокатываются слябы 25×400×1000 мм из высокоуглеродистых, легированных, коррозионностойких и хромоникелевых сталей, толщина готовой полосы составляет 1,6÷6 мм, диаметр опорного валка 470 мм, рабочего - 74 мм (22 штуки), мощность главного двигателя 1500 кВт, мощность привода верхнего (обычного) валка 350 кВт, скорость вращения сепаратора 200 об/мин.

Основное преимущество станов Дайдо перед другими полосовыми планетарными станами заключается в простоте их конструкции (ввиду отсутствия так как сложных систем синхронизации вращения верхних и нижних комплектов планетарных валков).

Один из недостатков стана системы Дайдо - асимметричность пластической деформации полосы по высоте - впрочем, некоторые считают это достоинством...

     Планетарные станы конструкции Платцера появились не на пустом месте - первый планетарный стан для листовой прокатки был предложен английским изобретателем Е.М.Пиккеном (патент Англии № 609706, 1948). Привод рабочих валков осуществляется через сепараторы, к которым приложен крутящий момент, стан отличается большой жесткостью.
Основной недостаток конструкции стана Пиккена - сложность изготовления опорного валка, который представляет собой подшипник качения большого диаметра.

     Ещё одна конструкция - планетарный стан Сендзимира (см. адреса фирмы 'Sendzimir'). Схема предложена английским изобретателем В.В.Триггсом (патент Англии № 655190, 1951), куплена Т.Сендзимиром и запатентована в других странах.
В планетарном стане Сендзимира шейки рабочих валков ни в радиальном, ни в тангенциальном направлениях не воспринимают усилий прокатки.
Однако при работе стана Сендзимира в взаготовке возникают переменные по величине и знаку осевые усилия, что может вызвать вибрацию узлов и механизмов планетарного стана.
В стане Сендзимира рабочие валки сразу же за плоскостью осей опорных валков начинают расходиться и полоса по выходе из планетарной клети имеет продольную циклическую разнотолщинность (волнистость) - для ее устранения за планетарной клетью устанавливают прогладочную клеть (обычно четырехвалковую), обычно эта клеть создает постоянное заданной натяжение полосы на ее выходе из стана.
Вообще вследствие применения массивного опорного валка и рабочих валков малого диаметра система Сендзимира отличается высокой жесткостью (что дает повышенную точность размеров проката по толщине и хорошую планшетность).

• В мире начиная с 1953 г. было построено несколько планетарных станов Сендзимира, наиболее мощные из них прокатывают полосу шириной до 1000 мм (а иногда до 1320 мм) и толщиной 0,8÷2,5 мм из слябов малоуглеродистой стали сечением 90×1000×4000 мм, мощность привода достигает 2200 кВт, производительность стана 60 т/час (до 150 т/час). При экплуатации таких станов выявились технологические проблемы, что несколько приостановило строительство новых установок.

• Итак, максимальное в мире число реализаций принадлежит схеме планетарного стана Сендзимира (что связано, пожалуй, не столько с дейстительно удачной конструкцией стана, а с предпринимательским талантом Т.Сендзимира). В самом деле - вышеописанные планетарные станы огромны по размерам и массе (особенно при ширине проката порядка 1000 мм), сложны в настройке, при работе наблюдается вибрация механизма etc etc... недостатки оупаются только высокой их производительностью.

• В Советстком Союзе станы полосовой периодической прокатки не находили широкого распространения и в 50-е и в 60-е г.г. (по всей вероятности, не было массового заказа листовой заготовки - автопромышленность находилась в примитивность состоянии), в то же время технология периодической прокатки труб находилась на достаточно высоком уровне (горячая пилигримовая прокатка, станы ХПТ и ХПТР). Из реализованных (не всегда доведенных до промышленного использования) конструкций известны станы ЦНИИЧерМет'а, ВНИИМетМаш'а и, конечно, серия станов ХПЛ-650 разработки ОАО 'Институт ЦВЕТМЕТОБРАБОТКА' (эти как раз работают не только в Росии, но и в Чехии).

       В то же время накопилось огромное число отечественных теоретических работ в данной области (иногда весьма полезных). Вот всегда так - русские придумывают, а потом начинается - Яблочковы/Эдиссоны, Поповы/Маркони, Бушевы/Сендзимиры, Зворыкины да Сикорские всякие... так и хочется сказать вслед за Жванецким - '...может, в консерватории надо что-то подправить?'