Вальцевание

Вальцевание — это технологический процесс пластического деформирования материалов (преимущественно металлов, а также полимеров, резины, теста) путём пропускания их между вращающимися валками (валками) прокатного стана или вальцов. Целью вальцевания является изменение формы, размеров, структуры и физико-механических свойств исходной заготовки. В зависимости от обрабатываемого материала и конечной задачи, вальцевание может быть как самостоятельной операцией (например, в резинотехнической промышленности), так и начальной стадией прокатки (в металлургии).

История

Процесс, схожий с вальцеванием, известен с древних времён: для раскатки теста использовались деревянные скалки, а для обработки металлов — ручные вальцы для изготовления листового золота (сусального). Однако промышленное развитие вальцевания началось в XVIII веке с изобретением прокатных станов.

В 1783 году английский инженер Генри Кортом был выдан патент на прокатный стан с валками для производства полосового железа. Это изобретение позволило заменить трудоёмкую ковку непрерывным механическим процессом. В XIX веке вальцевание стали активно применять в металлургии для получения листов, рельсов, балок. В России первый прокатный стан был установлен на Ижорском заводе в 1820-х годах.

В резиновой промышленности вальцевание как метод смешения и пластикации каучука начал применяться с середины XIX века. Первый резиносмесительный вальц был запатентован в 1820 году, но широкое распространение процесс получил после открытия вулканизации (Чарльз Гудьир, 1839).

Классификация вальцевания

Вальцевание классифицируют по нескольким признакам:

По типу обрабатываемого материала

• Вальцевание металлов — основной процесс в прокатном производстве (горячая и холодная прокатка листов, профилей, труб).
• Вальцевание полимеров — применяется для смешения ингредиентов, пластикации и каландрования (получение плёнок, листов, линолеума).
• Вальцевание резиновых смесей — технологическая операция для гомогенизации, введения наполнителей и вулканизирующих агентов.
• Вальцевание теста — в хлебопекарной и кондитерской промышленности для раскатки и формования заготовок.

По температурному режиму

• Горячее вальцевание — осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации (для металлов) или выше температуры стеклования (для полимеров). Обеспечивает высокую пластичность и снижение усилий деформации.
• Холодное вальцевание — проводится при комнатной или умеренной температуре. Приводит к упрочнению (наклёпу) металла, позволяет получать точные размеры и чистую поверхность.

По схеме деформации

• Продольное вальцевание — заготовка движется перпендикулярно оси валков (наиболее распространённый тип).
• Поперечное вальцевание — заготовка вращается вокруг своей оси, а валки движутся вдоль неё (используется для получения тел вращения — шаров, осей).
• Поперечно-винтовое вальцевание — заготовка совершает винтовое движение, что позволяет получать полые изделия (гильзы, трубы).

Устройство и принцип действия

Основным рабочим органом вальцев являются валки — цилиндрические (реже конические или профилированные) детали, вращающиеся в противоположных направлениях. Валки изготавливаются из чугуна, стали, твёрдых сплавов или керамики, в зависимости от материала и условий работы.

Валки устанавливаются в станину прокатного стана или вальцов. Зазор между ними (калибр) определяет толщину обрабатываемого материала. Привод валков осуществляется от электродвигателя через редуктор и шестерённую клеть.

Процесс вальцевания состоит из трёх фаз:

1. Захват — материал втягивается в зазор между валками за счёт сил трения.
2. Деформация — материал обжимается, его толщина уменьшается, а длина и ширина увеличиваются (при прокатке) или происходит смешение компонентов (при резиносмешении).
3. Выход — обработанный материал покидает валки.

Применение в различных отраслях

Металлургия

Вальцевание является основой прокатного производства. На прокатных станах получают:

• Листовой прокат (толстый и тонкий лист, жесть, фольга).
• Сортовой прокат (круг, квадрат, уголок, швеллер, двутавр).
• Трубы (бесшовные и сварные).
• Рельсы и специальные профили.

Резинотехническая промышленность

Вальцы используются для:

• Пластикации каучука (снижения его вязкости).
• Смешения резиновой смеси с наполнителями (сажа, мел, масла) и вулканизирующими агентами (сера).
• Каландрования — получения листовых резиновых заготовок заданной толщины.

Полимерная промышленность

Вальцевание применяется при производстве:

• Полимерных плёнок и листов (ПВХ, полиэтилен).
• Линолеума.
• Композиционных материалов (древесно-полимерные композиты).

Пищевая промышленность

Вальцевание теста — ключевая операция в производстве:

• Хлебобулочных изделий (батоны, булки).
• Печенья, крекеров, вафель.
• Макаронных изделий (раскатка теста).

Технологические особенности

Вальцевание металлов

При горячем вальцевании металл нагревается до 800–1200 °C (в зависимости от марки стали), что обеспечивает его пластичность. Холодное вальцевание позволяет получать изделия с высокой точностью (до 0,01 мм) и чистотой поверхности (Ra 0,4–1,6 мкм). Для снижения усилий и улучшения качества применяют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).

Вальцевание резины

Процесс ведётся на вальцах с фрикцией (разной окружной скоростью валков). Обычно соотношение скоростей составляет 1:1,1–1:1,3. Температура валков поддерживается в диапазоне 40–80 °C (для предотвращения преждевременной вулканизации). Вальцевание резины — периодический процесс, требующий многократных пропусков смеси через зазор.

Вальцевание полимеров

Для полимеров характерно вальцевание при температурах выше температуры текучести (120–200 °C). Валки могут быть обогреваемыми (паром, маслом) или охлаждаемыми. Процесс часто совмещают с каландрованием.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность (до нескольких тысяч тонн в час на крупных станах).
• Возможность получения изделий с высокой точностью размеров и качеством поверхности.
• Универсальность — применим для широкого спектра материалов.
• Относительная простота конструкции оборудования.

Недостатки

• Высокое энергопотребление (особенно при горячем вальцевании).
• Значительный износ валков (требуется регулярная переточка или замена).
• Ограничения по форме изделий (в основном плоские или профилированные).
• Для некоторых материалов (например, высоколегированных сталей) требуется сложная подготовка.

Интересные факты

• Вальцевание является одним из древнейших способов обработки материалов: первые ручные вальцы для золота появились в Древнем Египте (около 3000 г. до н. э.).
• Самый большой в мире прокатный стан (для горячей прокатки листов) установлен в Китае и имеет длину более 200 метров.
• В резиновой промышленности вальцевание иногда называют «холодным смешением», хотя процесс может идти при нагреве.
• Вальцевание теста в хлебопечении позволяет не только раскатать его, но и улучшить структуру клейковины, что влияет на пористость мякиша.

Источники

1. ГОСТ 25573-82 «Вальцы для резиновых смесей. Общие технические условия».
2. Технология прокатного производства: учебник / под ред. В.В. Барабаш. — М.: Металлургия, 1987.
3. Резина: технология и испытания / под ред. М.М. Резниченко. — Л.: Химия, 1989.
4. Переработка полимеров: учебное пособие / В.И. Ким, В.В. Ким. — М.: Химия, 2005.
5. Хлебопекарное производство: технология и оборудование / А.П. Косован. — М.: Пищевая промышленность, 2001.