Проволока и ее семейство

Металлическое изделие в виде гибкой нити или тонкого прута, именуемого проволокой, известно с давних пор. В древности изготовление проволоки совмещалось с ее обработкой. Считают, что наиболее ранние образцы проволоки изготовлены либо ковкой, либо разрезкой листового металла.

Выковывание проволоки из драгоценных металлов для украшений и железа для изготовления кольчуги производилось до X века. Позже для таких целей стали использовать волочильную доску, которую волочильщик укреплял между двумя столбами, затем садился перед нею на качели, захватывал конец проволоки прикрепленными к поясу клещами у самой доски и, упираясь ногами в столбы, отталкивался назад. Отпустив клещи и согнув ноги, он возвращался в прежнее положение и начинал снова.

Волочение железа появилось в XIII–XIV веках сначала в Германии, а в 1590 году в Англии и Франции. Оно вызвало совершенствование технических средств волочильного производства.

Форма проволоки усложнялась. Появилась волоченая четырехугольная сталь, квадратная или плоскоугольная в разрезе, конусовидная колесная проволока с 6, 7, 8, 10 или 12 желобками. От этого поперечный разрез имел вид маленького зубчатого колеса. Часовщики из этой проволоки делали часовые колеса.

Размеры проволоки со временем также менялись. В середине XIX века английская стальная проволока имела толщину от 0,48 до 0,03 дюйма. В конце XIX века диаметр проволоки колеблется от 0,5 до 0,004 дюйма. В настоящее время проволока изготовляется обычно толщиной от 0,01 до 16 миллиметров, причем проволока диаметром более 5 миллиметров получается на прокатных станах и называется горячекатаной или катанкой. Проволока диаметром меньше 5 миллиметров изготовляется путем волочения катанки и называется холоднокатаной. Катанку после горячей прокатки травят в слабом растворе серной кислоты, известкуют для лучшей смазки и затем волочат на однократном волочильном стане. Катанка разматывается с мотка, проходит через волоку и наматывается на тянущий барабан.

Волочильщик проволоки изучает основы технологического процесса обработки металла волочением, устройство и принцип работы волочильных станов, физические свойства употребляемых металлов, электротехнику и слесарное дело, виды и качество слесарных материалов.

О разнообразии сфер применения проволоки говорит уже одно перечисление ее видов: общего назначения, сварочная, телеграфная, пружинная, бердная (для изготовления одной из основных деталей ткацкого станка – гребня), кордная (металлическая нить для упрочнения кордной ткани автопокрышек), игольная, ремизная (прочная металлическая нить с петельками посередине в ткацком станке), канатная, подшипниковая, кардная (для изготовления стальных изогнутых под углом игл для ленты в чесальных или ворсовальных машинах). Только проволокой, вибрирующей с частотой ультразвука, удастся без сколов и трещин разрезать на тонкие пластины керамику, стекло и другие хрупкие материалы.

В Братиславе (ЧССР) создали материал флексипен – полиэтиленовая пленка, армированная тонкой стальной проволокой. Благодаря ей срок службы пленки увеличился в 6 раз. Такая пленка пригодна для сооружения парников, крыш для временных мастерских и хранилищ зерна.

Американские специалисты предложили делать покрытия аэродромных полос из железобетона, армированного стальными волокнами – обрезками очень тонкой и короткой проволоки. Испытания показали, что такое покрытие не разрушается от перепадов температур, выдерживает большие нагрузки, долговечнее обычного.

Из стальной проволоки ткут полотно. Металл есть металл: ткать его значительно сложнее, чем хлопок или шерсть. Но очень высока практическая ценность микросетки, незаменимой в медицине, химической технологии, при создании электросчетной техники, установок по очистке сточных вод; в мукомольной промышленности она позволяет повысить выход муки высшего сорта.

По производству проволоки и изделий из нее Советский Союз занимает первое место в мире. Особенно увеличился выпуск канатной и пружинной проволоки, проволоки для металлокорда, для армирования железобетонных конструкций, из нержавеющей стали, биметаллической сталемедной. В СССР освоено производство тончайшей проволоки с временным сопротивлением разрыву около 4000 МПа, в лабораторных условиях получена проволока с временным сопротивлением около 5000 МПа. По данным Института металлофизики АН УССР, имеется возможность изготовлять из сплавов на основе железа проволоку с временным сопротивлением более 13 000 МПа.

Канат

Классификатор изобретений СССР, охватывающий все области технического творчества, содержит всего 90 классов. Один из них занимают канаты. Они применяются в грузоподъемных и транспортных машинах, используются и для технических целей.

Канаты имеют давнюю историю. В древности это было просто связанные пучки проволоки. Витые канаты из органических волокон и металлические цепи удовлетворяли промышленность в течение многих веков, вплоть до XIX века. Изобретение подъемных машин потребовало более прочных канатов.

Проволочный витой канат впервые предложил немецкий коммерции советник Альберт в 1834 году. Канат свивался вручную из двенадцати 3,5‑миллиметровых проволок и был весьма неуклюж. Тем не менее замена железных цепей и пеньковых канатов в горном деле позволила повысить безопасность работ и увеличить глубину проходки шахт.

Первая машина для свивки металлических канатов появилась в 1840 году в Банска‑Штявице (Словакия). До 70‑х годов XIX века проволочные канаты подвергали только конструкционным изменениям и продолжали изготовлять из мягкой железной проволоки с пределом прочности 500–700 МПа. Появились шестипрядные канаты крестовой свивки из многопроволочных прядей.

Литую сталь начали использовать для производства канатной проволоки в 1870–1871 годах. Повышение прочности канатов стало возможным благодаря улучшению качества проволоки. В энциклопедическом словаре “Гранат” (1913 год) упоминаются канаты, которые свивались из 300 тонких проволок и имели толщину до 40 миллиметров. А через 40 лет Большая Советская Энциклопедия сообщала о канате из 17 500 проволок диаметром 0,3 миллиметра каждая. Толщина таких канатов, используемых для подвесных мостов, достигает 1500 миллиметров, а прочность на разрыв 96 тысяч тонн.

Россия проволочные канаты почти полностью импортировала. Пионером в создании отечественной сталепроволочной и канатной промышленности является московский завод “Серп и молот”. К 1940 году эта отрасль промышленности полностью удовлетворяла потребности страны.

У каната есть необычные профессии. Создан оригинальный механизм – канатная пила для добычи мрамора и гранита. С ее помощью значительно ускоряется добыча крупных блоков камня из горных массивов. Принцип действия пилы таков: приводная станция через систему блоков движет “бесконечной” длины стальной канат, который и врезается в камень. В качестве ускорителя используется абразивный порошок.

Стальные канаты, изготовленные из высокопрочной стали с временным сопротивлением на разрыв 1200–2100 МПа, а иногда и до 3500 МПа, применяют на подвесных канатных дорогах. К 1900 году в мире насчитывалось около тысячи грузовых канатных дорог, а в настоящее время их несколько тысяч. В дореволюционной России начиная с 70‑х годов XIX века было построено более ста грузовых канатных дорог, а сейчас в СССР их работает более 500. Общая длина “висячих” дорог достигает тысячи километров, объем перевозок свыше 450 миллионов тонн грузов в год.

Первые пассажирские канатные дороги появились в 90‑х годах XIX века, но возможности применения были ограничены из‑за несовершенства тяговых устройств. В СССР первая такая дорога построена в 1941 году. Сейчас лишь в одной Грузии их функционирует 36. Канатная дорога выручает и шахтеров. Горняки Ткибули, Ткварчели опускаются более чем на 600 метров в удобных подвесных креслах.

Пионерами в области конструкций висячего типа оказались строители мостов. Использование стальных канатов позволило создать смелые технические сооружения.

Ванты – оттяжки из стального каната, которыми производят боковое крепление каких‑либо конструкций. При сооружении вантового перехода (моста для труб газопровода) над Аму‑Дарьей использовали предварительно напряженные вантовые элементы общей массой 250 тонн. Верхний пояс вантовых ферм состоит из 16 стальных несущих канатов и 4 дополнительных береговых канатов‑оттяжек. Диаметр канатов 59 миллиметров, длина 675 метров, масса 10 тонн. Разрывное усилие каждого каната 2250 кН.

Своеобразная конструкция 430‑метрового моста, подвешенного на одном пилоне – массивном устое прямоугольного сечения, появилась в Братиславе (ЧССР). Ширина моста 20 метров. Конструкция двухъярусного моста получилась очень изящной.

Одним из последних висячих мостов считают мост через Босфор в Стамбуле. Его шестиколейная проезжая часть шириной 33 метра подвешена на высоте 64 метра над уровнем моря на двух стальных канатах, протянутых между 165‑метровыми пилонами. Висячая часть моста длиной 1074 метра собрана из трехметровых полых стальных ячеек, к которым приварены дорожки для пешеходов. Толщина покрытия проезжей части моста всего 12 миллиметров. Несущие канаты диаметром 60 сантиметров выдерживают нагрузку 280 МН и состоят из 19 отдельных тросов, каждый из которых содержит по 550 проволок диаметром 5 миллиметров. Общая длина проволок – 50 тысяч километров.

Струна

Вы слушаете оперу Верди “Травиата” или Первый концерт для фортепьяно с оркестром П.И. Чайковского и восхищаетесь чудесным звучанием музыкальных инструментов. В это время вы не задумываетесь ни над обилием различных инструментов, ни над их историей и устройством. Однако своими богатыми звуковыми возможностями современный симфонический оркестр в какой‑то мере обязан металлургии. Вспомним о струнах – этой поющей разновидности стальной проволоки. Но не все струны изготовляют из стальной проволоки. Они могут быть медные, жильные и даже капроновые и нейлоновые. Есть струны сложные – стальная основа обвита мягкой металлической проволокой, так называемой канителью, для изготовления которой применяют красную медь, серебро, сплавы меди и никеля. Но все‑таки главным образом в современных музыкальных инструментах применяют стальные струны.

Какую же проволоку используют для этих струн? Вероятно, музыкантов меньше всего интересует высокая механическая прочность такой проволоки – зачем она для хрупких и нежных инструментов? Возможно, их интересуют какие‑то особые, музыкальные свойства проволоки – мягкость, звучность? Однако в ГОСТе на проволоку для струн поражает именно требования высокой механической прочности.

Оказывается, в таком инструменте, как фортепьяно, струны натянуты с таким усилием, что его чугунная рама испытывает нагрузку в 200 кН. Рабочее удельное напряжение струн пианино, рояля, а также первой струны мандолины и домбры доходит до 2000 МПа, то есть близко к пределу сопротивления на разрыв лучшей стали. Показатели на разрыв фортепьянной проволоки обычно составляют 2350–2600 МПа. Выходит, что для струн требуется проволока крепче, чем для канатов!

Конечно, высокая прочность не единственное требование, предъявляемое к струнной проволоке. В частности, очень строго определен допуск по овальности сечения, то есть разности величин двух взаимно перпендикулярных диаметров – не более 0,005 мм. Исключительное значение придается упругости металла. В ГОСТе указано, что при разматывании с мотка проволока не должна свертываться в кольцо диаметром менее 400 миллиметров. Число скручиваний двух сложенных проволок по длине, равной ста диаметрам, и при натяжении в размере 2% от разрывного усилия должно быть не менее 18.

Вот, какие строгие требования предъявляют к струнной проволоке, ибо струны смычковых инструментов пригодны в том случае, если они будут издавать звук нужной силы. Исследования свойств поющей стали продолжают металлурги, ученые, музыковеды.

“Кузница” звуков рояля обеспечивает свыше 200 струн, и каждая имеет свой “голос” в зависимости от диаметра, длины и силы натяжения. Долгое время полагали, что звучание проволоки зависит в основном от ее натяжения и упругости. Однако оказалось, что продолжительность звучания зависит от физических характеристик металла. Внутренняя его структура в конечном итоге определяет и все физико‑механические свойства.

Удалось подробно изучить так называемую релаксацию – вытяжку струн. Для увеличения срока службы инструмента необходимо затормозить процесс релаксации, а главное – уравновесить этот процесс для всех струн. Значит, нужны особая технология и режимы термообработки металла. Исследователи воспользовались своим открытием. Теперь на заводе клавишных инструментов “Красный Октябрь” на пианино ставятся струны из новой фортепьянной проволоки.

Струны используют не только в музыкальных инструментах. Свойство струны при разных натяжениях издавать звуки разной тональности учли инженеры при создании измерительных приборов, например струнных гальванометров. Рояльную проволоку используют для растянутых элементов бипланов.

Струны предварительно напряженных панелей – изделие не из самых сложных. Но растущее строительство в стране поглощает такое количество этой проволоки точно определенной длины, с промежуточными и концевыми головками, что потребовалось создание специальных автоматических установок по производству строительных струн.

В Институте технологии машиностроения Вроцлавского политехнического института (ПНР) создали устройство, с помощью которого хрупкие материалы и сверхтвердые сплавы разрезаются на части струной из мягкой стали диаметром 0,3–0,6 миллиметра. Струна приводится в движение со скоростью 8 метров в секунду и захватывает масляную пленку со взвешенными в ней частицами карборунда. Процесс быстрый и потери ценных веществ минимальны – ни стружки, ни опилок почти нет.

Гвоздь

Сколько стоит гвоздь? Полтораста лет назад за горсть гвоздей в казахских степях можно было получить целого барана. Английский путешественник XVIII века Кук рассказывал, что туземцы полинезийских островов охотно давали ему за один гвоздь пару свиней. А сейчас за 10 копеек продавец отвешивает целую пригоршню гвоздей.

Родословная всем известного гвоздя начиналась с костей рыб и шипов колючих растений, которыми первобытные люди скрепляли части построек, орудия труда. Это подтверждает и сложная этимология слов.

Гвоздь – “заостренный стержень” – по корню праславянское слово. Первоначальное значение этого слова, вероятно, “лесистая возвышенность”, “лес”, “дерево”, “кусок дерева”, “деревянный острый кол”, “гвоздь из дерева”.

Недаром жители острова Таити, еще не знавшие ни одного металла, пробовали сажать в землю гвозди, привезенные Куком, в надежде, что они прорастут и дадут новый урожай.

В традиционном своем виде (заостренный металлический стержень со шляпкой) гвоздь появился в эпоху бронзовой культуры. В Египте, Греции, Риме делали литые и кованые медные, бронзовые и железные гвозди.

В Древней Руси кованые гвозди широко применялись в X–XIII веках, но производство их появилось раньше, ибо в этот период уже появлялись ремесленники‑гвоздари.

Патент на первую машину для изготовления железных гвоздей получил в 1606 году англичанин Бульмер, но в практику она не вошла. Только в 1790 году Паркинс придумал действительно годную машину, которая в начале XIX века после усовершенствования получила большое распространение. На таких машинах получали более сотни гвоздей в минуту.

Современное производство оснащено автоматическими гвоздильными машинами для получения проволочных гвоздей. На них делают гвозди размером от 0,6 у 7 до 8 250 миллиметров. Машины выдают более одной тысячи штук в минуту.

В наши дни ассортимент гвоздей очень широк. По назначению они бывают строительные, кровельные, толевые, отделочные, обойные, декоративные, штукатурные, шиферные, подковные, корабельные, баржевые и длиной от 5 до 500 миллиметров. Основная масса гвоздей изготовляется из мягкой стали.

Модернизация гвоздя, этой простейшей крепежной детали, происходит в наши дни. В ГДР производят мебельные гвозди и шурупы из малоуглеродистой стали в тонкой полимерной оболочке – они не ржавеют и не портят дорогую древесину. Новые гвозди и шурупы обеспечивают более прочное соединение деталей. Например, сопротивление вывинчиванию у стальных шурупов с пластиковым покрытием почти на 80% выше, чем у обычных.

А можно ли делать гвозди из металлической стружки? Обычно стружку отправляют на переплавку. Однако английские инженеры нашли ей иное применение: после прессовки под давлением 600 МПа стружка превращается в плотную, почти не отличимую от сплошного металла массу, из которой получаются неплохие гвозди. Можно использовать и старые консервные банки – результат будет тот же.

Игла

Игла – инструмент для шитья, которым прокалывают материал и протягивают нить. Это орудие, необходимое для пошива одежды и обуви, было известно еще в древности. Уже тогда из рыбьих и других костей изготовляли иголки с ушком, просверленным осколком кремния. Затем появились бронзовые иголки и булавки. При раскопках в районе Магдаленсберга (Австрия) среди найденных железных изделий 2000‑летней давности обнаружены иглы, лезвия ножниц.

По мере развития искусства обработки металла, в частности с появлением волочения проволоки, стали производить иголки и булавки. Утверждают, что первые стальные швейные иглы в Европу доставили арабы.

С конца XIV века стальные иглы стали изготовлять в Нюрнберге; до этого славились иголки испанские. В Англии производить стальные иглы стали только в XVII веке, хотя булавки там делали раньше, а в 1483 году ввоз булавок был даже запрещен.

В Россию купцы‑ганзейцы привозили Иголки “любские” из города Любека. Но потом их стали делать сами русские. Так, в 1677 году по описи в Мещанской слободе Москвы было пять игольных мастеров. Но и задолго до этого на Руси иголку уже ковали из бронзы и железа, а в богатых домах пользовались дорогими серебряными иглами.

Долгое время иголки изготовлялись вручную. Ушко делать мастера сначала не умели, они попросту загибали кончик проволоки. В XIV веке французский мастеровой Ар шал придумал для нужд игольного дела волочильную доску. Это простое приспособление сразу изменило весь процесс изготовления игл, заколок, булавок.

Чертежи машины для производства игл создал еще Леонардо да Винчи, но делать их начали только в XIX веке в Англии. Появились ручные приспособления, станки.

Приблизительно 200 лет назад один ремесленник мог изготовить в день не более 20 обыкновенных иголок. Ему приходилось делать все самому – от заготовок до заточки острия иголки. После промышленной революции небольшая игольная мануфактура с 10 рабочими выпускала уже 8 тысяч иголок в день. Каждый работник выполнял одну какую‑нибудь операцию: заготовлял проволоку, разрезал ее на куски. К тому же появились станки, приводимые в движение паровым двигателем. Сегодня автоматические станки выпускают сотни тысяч иголок в смену. Один современный станок‑автомат с числовым программным управлением, изобретенный уже в годы НТР, дает возможность увеличить выпуск продукции еще в 4 раза.

Изготовление иголок является довольно сложным процессом. Специальную игольную проволоку металлурги готовят из качественной углеродистой инструментальной стали, выплавляемой в электропечи. Она должна быть светлой, гладкой диаметром 0,25–5 миллиметров. Проволоку отжигают в закрытых сосудах или в печах с нейтральной атмосферой, не допускающей окисления или обезуглероживания поверхности. Поставляется она потребителю в отожженном или нагартованном состоянии, без трещин, раковин, ржавчины и других дефектов.

Готовые иглы подвергают строгому испытанию – проверке на изгиб и твердость. При изгибе до 10 градусов швейная машинная игла не должна приобретать достаточную деформацию. Только при изгибе от 18 до 30 градусов хорошая игла ломается. Ручная швейная игла должна ломаться только при изгибе на 30–40 градусов. Многие иглы никелируют.

Таким образом, материал для иголок должен быть высококачественным, и здесь требуется немалый труд металлургов. О сложности изготовления иголок говорит тот факт, что массовое производство их организовано только в семи странах мира. Вот почему они ценятся очень высоко на мировом рынке.

Каких только видов иголок не изготовляют: швейные, штопальные, вышивальные, шорные, скорняжные, мешочные, парусные… Колюбякинский игольный завод выпускает, например, 25 видов швейных игл ежегодно до одного миллиарда штук. Артинский механический завод на Урале производит не менее 260 миллионов машинных игл в год. Игольно‑платиновый завод им. КИМ дает потребителям около 300 типоразмеров ткацких иголок в миллионных тиражах.

Самые маленькие в мире иголки для шитья изготовляют в ГДР. Их делают из нержавеющей стали под лупой. Диаметр иголки 0,18 миллиметра, а длина 9–10 миллиметров.

Для хирургов производят 18 различных типов иголок. Одни имеют длину от 6 до 140 миллиметров и диаметр от 0,20 до 2,20 миллиметра. Самые маленькие в мире хирургические иголки, которыми можно зашивать разрезы роговиц на глазу, изготовляют в Ихтерсхаузене (ГДР). Полукруглую иглу длиной около 6 миллиметров и диаметром 0,2 миллиметра можно использовать для 20 операций. Необходимо немалое искусство, чтобы вдеть в эту иглу нитку из синтетического материала толщиной 0,03 миллиметра.

Письмо на железе

“Бирмингемский журнал” в Англии получил из американского города Питтсбурга следующее письмо, написанное на листе металлической бумаги:

“В номере вашего журнала, вышедшем 1 октября 1864 г., я прочел, что Джон Браун, из Шеффилда приготовил железный лист толщиной в 13,5 дюйма. Я полагаю, что это самый толстый лист, когда‑либо проплющенный. В противоположность ему, я вам посылаю этот железный лист, изготовленный на заводе Слиго, в Питсбурге. Я думаю, что он представляет самый тонкий образчик в целом свете, и вызываю всю Англию произвести железо более тягучее. Если я не ошибаюсь, это будет первое, переплывшее Атлантический океан письмо, написанное на железе. Джон К. Эванс”.

До этого времени самый тонкий железный лист в Европе был получен на бельгийском заводе: толщина его 0,07 дюйма. Американский же лист с письмом был не толще 0,001 дюйма, то есть около 0,025 миллиметра.

Английские заводчики приняли вызов автора письма и сделали вскоре еще более тонкие листы из железа: чтобы получить пачку листов высотой в один дюйм (2,54 сантиметра), надо было положить 2 тысячи таких листов друг на друга. Эти листы были в два раза тоньше американского.

Пробовали получать и стальные тонкие листы. Так, заводчик Гиллот из Бирмингема получил три стальных пластинки, средняя толщина которых соответствовала 0,18 дюйма.

Такие тонкие листы железа и стали нужны, конечно, не для написания писем: их сейчас используют в различных отраслях машиностроения, приборостроения и в радиотехнике.

Во второй половине XIX века главной продукцией прокатного производства были рельсы. Но в начале XX века железнодорожное строительство резко сократилось. Возникли другие области использования проката, и тогда появилась большая потребность в листовом металле. Особенно большое влияние на это оказала автомобильная промышленность – крупнейший потребитель стального листа.

Листовой прокат является одним из экономичных видов металлопродукции, особенно холоднокатаной. Из него изготовляют весьма легкие и самые разнообразные штампованные и сварные конструкции, применение которых вместо литья уменьшает их массу на 30–50%. Сварные трубы и многие другие профили, изготавливаемые из листового проката, как правило, более тонкостенные по сравнению с горячекатаными, и поэтому их использование взамен последних снижает расход металла на 10–15%. Доля листового проката в общем объеме его производства постепенно повышается и в некоторых странах она составляет 50%, что объясняется быстрым развитием капитального строительства, автомобильной и консервной промышленности.

Примером значительных достижений советских листопрокатчиков может служить история организации отечественного производства высококачественной кинескопной стали. Была получена новая марка стали с высокими магнитными и механическими свойствами и однородной структурой, разработаны методы исследования и контроля ее качества – и все это нужно для создания цветного телевизора.

Чтобы направить каждый электронный луч с помощью магнитных линз в строго определенную точку экрана, между ними и электронной пушкой ставят стальной лист – теневую маску, на которой полмиллиона сложных по форме отверстий. Рассмотреть их можно только в сильную лупу. А как их сделать? Как получить тончайшую стальную ленту шириной более 60 сантиметров и длиной 3 километра? Советские ученые и машиностроители во главе с академиком А.И. Целиковым создали поистине уникальный прокатный стан – он дает возможность прокатывать стальную ленту с большой точностью.

Для производства кинескопной стали на Магнитогорском металлургическом комбинате установлен специализированный 20‑валковый стан 700, обеспечивающий высокую стабильность технологических параметров прокатки. Новая технология дает отклонения по ширине ленты не более 1 мкм, а по длине – не более 8 мкм при длине в 3 километра! Производится тончайшая (всего 150 мкм) стальная лента с микронной разнотолщинностью, тонкая, как бритвенное лезвие. Края листа зеркально блестят, а вся середина… прозрачна. Только при очень внимательном осмотре можно понять, что лист пронизан множеством микроотверстий.

На Ленинградском сталепрокатном заводе освоено производство ленты из прецизионных сплавов толщиной в 1,5 мкм, что в 40 раз тоньше человеческого волоса. Из такого проката изготовляют микродетали для вычислительных машин. В руках такая лента кажется кусочком воздушного шелка, а не металлом. Пробуешь на разрыв, не тут‑то было: требуется большое усилие. Инженеры завода совместно с коллегами из ВНИИметмаша спроектировали и изготовили стан для прокатки сверхтонкой ленты. В разработке технологии участвовали специалисты ЦНИИчермета. Авторы удостоены Государственной премии СССР.

Стан обслуживает один человек. Он и вальцовщик, и оператор, и слесарь‑наладчик. Действует оборудование по тому же принципу, что и в прокатных цехах, где катают многотонные слитки, но здесь все в миниатюре. Склад запасных частей для стана свободно разместился на обычном письменном столе. В маленьких ящиках лежат валки разного диаметра и другие узлы. Продукция тоже занимает мало места: за смену опытный вальцовщик выдает несколько десятков граммов проката.

Прокатка на таком стане – дело тонкое, почти ювелирное.

Надо быть собранным и внимательным, чтобы точно настроить клеть, уловить момент начала операции, подать на ленту равномерное натяжение.

На “Запорожстали” работает 20‑валковый стан для прокатки нержавеющей стали с особенно высоким качеством поверхности – до 9‑го класса чистоты. Благодаря жесткой системе опорных валков доведена до минимума разница в толщине полос. С пуском стана стало возможным расширение сортамента нержавеющей, стали. Стан обслуживают всего три человека: два оператора и старший вальцовщик. Они руководят процессом прокатки с помощью дистанционного управления.

В ходе работы запорожские металлурги повысили класс поверхности листа и создали полированный с двух сторон лист нержавеющей стали: он сверкает, как зеркало. До недавнего времени монополистами в изготовлении “стальных зеркал” были Австрия, ФРГ и Швеция.

Инженерная мысль и рабочее мастерство запорожцев помогли разработать технологию и создать головной образец станка двустороннего анодно‑механического полирования нержавеющих листов. Так, впервые в СССР было освоено производство двусторонне полированных нержавеющих пластин 13–14‑го класса чистоты, не уступающих лучшим зарубежным образцам. а по отдельным показателям – твердости, износостойкости и зеркальной отражаемости – превосходящих эти образцы. Государственная аттестационная комиссия присвоила пластинам – первому в нашей стране прокатному виду продукции – государственный Знак качества. Размеры пластин: длина 5690, ширина 1310, толщина 5 миллиметров. Вот на каком железе могут написать письмо современные листопрокатчики.

Без труб труба

Определение трубы как длинного полого устройства, обычно круглого сечения, предназначенного для подачи жидкости, пара и газа, пожалуй, теперь устарело. Названные вещества не являются больше единственными продуктами, поддающимися перемещению по трубам. Трубопроводы образуют особый вид транспорта для быстрой и экономичной передачи на большие расстояния цемента, угля, муки, сахарной патоки, хлопка, железной руды. В наше время трубы с успехом заменяют колеса.

Однако нефтяные и газовые артерии – главные в трубопроводном транспорте сейчас. Нефть, бензин, керосин, дизельное топливо и газ перебрасываются на большие расстояния по всепогодным подземным магистралям. В СССР протяженность дальних магистральных трубопроводов превысила 225 тысяч километров – больше, чем железные дороги страны.

Советский Союз – единственная страна в мире, которая строит газопроводы диаметром 1420 миллиметров. По ним транспортируется более 40% добываемого газа. Учитывая, что в других странах строятся трубопроводы меньших диаметров и соответственно меньшей производительности, эффективная протяженность трубопроводов СССР, т.е. приведенная к базовому (среднему) диаметру и давлению зарубежных, фактически в четыре раза выше. Из таких труб сооружен магистральный газопровод Уренгой – Помары – Ужгород, досрочно сданный в 1983 году. Газопровод Сибирь – Западная Европа является одной из составных частей Энергетической программы СССР. Контракт “газ – трубы” на Западе справедливо считают сделкой века. Ее реализация рассчитана на 25 лет. Советский Союз обязался поставлять ежегодно в Западную Европу 30 миллиардов кубических метров газа.

Совокупность различных сосудов, труб и емкостей, так называемая “сосудистая система”, становится важнейшей особенностью производства XX века и используется не только для транспортировки самых различных материалов. В ней осуществляются химические реакции, хранятся продукты технологических процессов. Она является хорошей базой для автоматизации и усиления технических основ производства.

Стальные трубы применяют также в качестве прочного конструкционного материала. Начиная с прошлого столетия их использовали в различных отраслях техники. Трубчатые конструкции применяют там, где снижение массы является одним из важных принципов проектирования: дирижаблестроении, велосипедной и автомобильной промышленности, самолетостроении.

Многие отрасли народного хозяйства используют профильные трубы различного сечения. Каркасы автобусов, кресла самолетов, витрины магазинов и строительные конструкции, изготовленные из таких труб, красивы, прочны, экономичны. Потребность современной техники в стальных трубах огромна.

Трубная промышленность нашей страны создана по существу за годы Советской власти. В 1913 году Россия производила‑ всего 67 тысяч тонн “сосудов” малого диаметра. В дни первомайского праздника 1930 года на юге страны был досрочно введен в строй огромный по тем временам завод цельнокатаных труб для нефтяной промышленности. С пуском предприятия страна избавилась от необходимости ввозить трубы из‑за рубежа. Еще до войны Советский Союз по производству стальных труб вышел на первое место в Европе. А с 1962 года наша страна вы пускает их больше всех в мире.

Какой же технологией владеют современные прокатчики‑трубники? Бесшовные “артерии” диаметром 50–110 миллиметров с толщиной стенки 2–15 миллиметров получают таким методом: сначала круглый слиток или заготовку “прошивают” в бочкообразных косорасположенных валках, которые вращаются в одну сторону, а заготовка – в другую. Между валками на пути движения получающейся полой гильзы расположена оправка, калибрующая гильзу внутри. Затем гильза раскатывается на непрерывном стане, состоящем из нескольких пар валков, расположенных под углом 90 градусов друг к другу. Бесшовные трубы делают из углеродистых и легированных марок стали. Их применяют в нефтедобывающей промышленности (буровые и обсадные трубы), в газовой и химической (для трубопроводов), в машиностроении для изготовления цилиндрических и кольцевых деталей (например, шарикоподшипниковых колец), в автомобильной промышленности (карданные валы).

В мировом трубном производстве непрерывно растет доля сварных труб. Это объясняется тем, что у сварных труб обычно тоньше стенки и меньше допуски по толщине, чем у бесшовных, что дает существенную экономию металла.

Сварные трубы с прямым швом изготовляют из полосы малоуглеродистой стали, пропущенной через узкую длинную печь. Кромки полосы нагреваются до 130 градусов. При выходе из печи ленту захватывают валки с круглыми калибрами и формуют ее в трубу. В следующей паре валков происходит сварка встык, а в последующих четырех парах трубе придаются точные размеры.

Электросварные трубы малых и средних диаметров применяют в химической промышленности и машиностроении, станкостроении, авиации, радиотехнике, атомной энергетике в основном для транспортировки жидких и газообразных веществ в качестве конструкционных элементов. Трубы средних диаметров применяют как конструкционные элементы при изготовлении велосипедов, автомашин, различных сельскохозяйственных машин. Трубы больших диаметров (426–1620 миллиметров и более) используют главным образом для транспортировки газов и жидкостей.

Советские трубопрокатчики по праву гордятся своими техническими достижениями. Они создали и широко внедрили новые технологические процессы и станы винтовой прокатки для производства горячекатаных труб. На Днепропетровском трубопрокатном заводе им. Ленина впервые освоили сварку труб наиболее прогрессивным и производительным способом – токами радиочастоты. Впервые в мировой практике осуществили комплексную механизацию и автоматизацию сложной прокатной установки 140. Прокатку ведут оригинальные механизмы и электронные приборы, полностью исключены ручные операции. Освоено производство биметаллических труб новым способом термодиффузионной сварки. В цехах появились новые автоматизированные линии гидравлического испытания труб, ультразвукового контроля качества сварного шва и сортировки, автомат для увязки и клеймения.

В 1982 году был сдан в эксплуатацию новый трубоэлектросварочный цех на Выксунском металлургическом заводе. Впервые в мировой практике здесь не прокатывают, а собирают из отдельных колец‑обечаек многослойные трубы. Каждая труба сваривается из семи частей, которые тоже не одинаковы. На торцах кольца однослойные, а пять внутренних обечаек свиты из нескольких слоев низколегированной листовой стали. В газопроводах из таких труб можно поднимать рабочее давление до 10–12 МПа и, следовательно, вдвое повышать производительность топливных артерий.

За разработку и промышленное внедрение технологии и комплекса машин для производства экономичных нефтегазопроводных труб ответственного назначения диаметром до 530 миллиметров коллективу ученых и производственников присуждена Государственная премия СССР 1983 года.

Кто‑то образно заметил, что техника прошлого “ехала” на колесе, современная – на… трубе. И действительно, современной технике без труб не обойтись. За ними большое будущее

Стальной шарик

Сейчас в мире выпускают миллионы машин самых различных конструкций и трудно найти такую, в которой не было бы подшипников. Без подшипника не будет стремительного бега автомобиля, не взлетит самолет, будут неподвижны станки и машины. Появление шарикоподшипника явилось революцией в истории колеса.

Идею шарикоподшипника высказал в своих набросках еще Леонардо да Винчи. Первый патент получен в Англии в 1787 году. Однако начали изготовлять их в Германии в 1883 году на заводе Фишера во Франкфурте‑на‑Майне. Массовое применение шарикоподшипников началось с появлением велосипеда.

До революции шарикоподшипникового производства в нашей стране не было. Только в 1917 году в Москве появился небольшой завод известной шведской фирмы “СКФ”, который работал на шведской стали.

“Даешь советский подшипник!” – многим москвичам старшего поколения памятен этот призыв времен первой пятилетки. Тогда на одной из окраин столицы рождался индустриальный гигант – Первый Государственный подшипниковый завод (ГПЗ‑1). За 12 месяцев на болотном пустыре выросли огромные корпуса завода. За 3–4 месяца было установлено свыше тысячи сложнейших станков и машин. За девять месяцев 1932 года выпустили около 1 миллиона подшипников. В 1933 году с пуском второй очереди завод произвел 5 миллионов подшипников. “На наших шариках вся советская индустрия крутится”, – слова рабочего ГПЗ‑1 А. Власова верно говорят о значении и этого завода, и этой важной детали многих машин и механизмов.

На базе завода шведской фирмы “СКФ” был основан ГПЗ‑2. В 70‑е годы к нему сделали пристройку – под одной крышей громадного помещения площадью более 4 гектара собрали все цехи и участки. Здесь производятся шарики и ролики для многих отраслей машиностроения. Кстати, в шариковом цехе работают люди разных профессий: штамповщики, прокатчики, обкатчики шариков, термисты, шлифовщики грубой и тонкой шлифовки. Всю работу проверяет контролер ОТК.

В становление советской подшипниковой промышленности внесли свой вклад и советские металлурги. Они освоили производство отечественной шарикоподшипниковой стали. В мае 1930 года металлурги Златоуста получили от строящегося ГПЗ заказ на изготовление электростали 12 марок для шариков, роликов и колец. Сначала пришлось пригласить в качестве консультантов немецких специалистов.

С трудом осваивалось новое и сложное производство. Пришлось засесть за учебу – металлурги занимались в кружках, на курсах плавильщиков, в вечерних техникумах и вузах.

В 1931 году Златоустовский завод начал массовое производство советской шарикоподшипниковой стали. Советская металлургия освоила производство шарикоподшипниковой стали всех марок. Такая сталь у нас маркируется буквами ШХ (хромистая) и цифрами, показывающими среднее содержание хрома в десятых долях процента: ШХ6, ШХ9, ШХ15. При выплавке ее обращают особое внимание на чистоту металла, то есть на загрязненность неметаллическими включениями.

Многие годы занимался поисками более эффективной технологии выплавки шарикоподшипниковой стали профессор С.Г. Воинов. И только в 60‑е годы он пришел к выводу, что шарикоподшипниковую сталь целесообразно обрабатывать синтетическими шлаками. Инженеры лаборатории рафинирования стали в ходе поисков установили, что наибольшее отрицательное влияние на величину контакта выносливости металла и долговечности качения подшипников оказывают силикатные и глобулярные включения. В связи с этим предложили новый способ производства шарикоподшипниковой стали.

По результатам исследования разработан и рекомендован для промышленности новый синтетический известково‑глиноземный шлак с повышенным содержанием кремния. Для существенного снижения содержания неметаллических включений в стали ШХ15 и повышения рафинирующих свойств синтетического шлака рекомендована добавка 2,5–3% кальцинированной соды или эквивалентных количеств другого материала, содержащего окислы натрия или кальция.

Перед Великой Отечественной войной советская промышленность производила уже 45 миллионов подшипников. Советский Союз был единственным в Европе государством, которое во время второй мировой войны всю свою технику оснастило отечественными подшипниками. Теперь советские заводы производят около 1 миллиарда подшипников качения, экспортируют их в десятки стран мира. Заводы растут и совершенствуются. Во многих городах СССР появились предприятия, в названиях которых стоит все то же сокращение из трех букв “ГПЗ” с добавлением номера.

Предметом особой гордости коллектива ГПЗ‑3 в Саратове стали сверхпрецизионные подшипники. Их точность в 5–8 раз превосходит уровень стандарта. Здесь впервые в нашей стране освоено производство так называемых глухих шарнирных подшипников, так нужных нашей промышленности. Саратовцы держат “монополию” в производстве таких изделий, как игольчатые подшипники со штампованными кольцами. Только на этом заводе делают и веретенные подшипники, предназначенные для текстильных машин.

Впервые саратовцы по своей инициативе ввели дополнительные нормы волнистости и гранности колец и шаров, которые ранее не учитывались. Как‑то на заводе испытывали свой подшипник “46310 л”, а вместе с ним такие же подшипники четырех зарубежных фирм Италии, Японии, ФРГ, Швеции. Четыре года крутились они на стендах. Затем были получены сравнительные результаты. И что же? Иностранные фирмы остались далеко позади.

Серийный выпуск шарикоподшипников для зерновых комбайнов освоил Харьковский подшипниковый завод (ГПЗ‑8). Более совершенная конструкция уплотнительных шайб надежно защищает узел от проникновения пыли. Расчетная долговечность новинок 20 тысяч часов, что в 8 раз выше, чем у обычных комбайновых подшипников.

Ведущим предприятием страны по выпуску крупногабаритных подшипников является Куйбышевский ГПЗ‑9. Подшипники опор для 80‑кубового шагающего экскаватора имеют диаметр наружного кольца 2300, внутреннего 1800 миллиметров, масса каждого ролика равна 14 килограммам, а подшипника в сборке 2372,5 килограмма.

Крупные подшипники нужны для непрерывной разливки стали. Кроме высокой температуры, им приходится выдерживать солидные механические нагрузки. Специалисты института проблем материаловедения АН УССР разработали в 1983 году новый спеченный подшипниковый материал на основе железа с добавкой фторида кальция. Использование его в подшипниках позволяет повысить ресурс работы роликов нулевых секций установок в 2 раза, сократить простои и стоимость ремонтных работ, исключить затраты на смазку и существенно упрощает конструкцию узлов трения. Спеченные подшипники уже действуют на машине непрерывного литья заготовок на Новолипецком металлургическом комбинате – только за год они сберегли более 175 тысяч рублей.

Волгоградский подшипниковый завод (ГПЗ‑23) выпускает шариковые подшипники почти исключительно для автомобильной промышленности. В цехах установлено самое современное автоматическое оборудование отечественного производства.

Богат и разнообразен мир подшипников в современной технике! Без воздушных подшипников не обходятся высокооборотные устройства: гироскопы, скоростные бормашины, шлифовальные головки. Советские конструкторы заставили шлифовальный шпиндель вращаться на таких подшипниках со скоростью 600 тысяч оборотов в минуту. Для этого пришлось подавать воздух в подшипники под давлением в 650 кПа. Изменением давления воздуха регулируют скорость вращения.

В технике нужны и миниатюрные подшипники. Для их производства создается специальное оборудование на Ленинградском станкостроительном объединении им. Свердлова. Станок с ювелирной точностью до десятых долей микрона обрабатывает подшипник, не превышающий по размеру спичечную головку. Для обработки столь мелких деталей недостаточно алмазного инструмента – ему помогает ультразвук. Высокочастотные колебания позволяют добиться зеркальной чистоты поверхности. Предприятие наладило массовое производство десятков типов автоматов. Они в первую очередь заменяют агрегаты с ручным управлением на ГПЗ в Томске и Куйбышеве.

В ГДР смонтирован подшипник массой 125 тонн. Он представляет собой обод, который охватывает барабан цементной печи и вращается с ним на двух опорных роликах. Диаметр внутреннего кольца 6 метров. В Швейцарии выпускают подшипники‑малютки с наружным диаметром 1,1, миллиметра. В них находятся три стальных шарика диаметром 0,4 миллиметра каждый. Таких подшипников в спичечную коробку помещается 34 тысячи.

Стальные шарики используются не только в подшипниках. С помощью стального шарика определяется твердость металла по Бринелю. Мелкими стальными шариками, выпускаемыми из сопла дробеструйной установки, обрабатывается поверхность детали – она становится прочнее. Имеются шариковые редукторы и винты, шаровые клапаны.

Стержни для пишущих ручек имеют стальные шарики. Казалось бы, что тут особенного – шарики для авторучек? Но их изготовление требует огромной точности. Например, погрешности по диаметру могут составить не более одного микрона, а отклонение по сферичности три десятых микрона. Иначе в письме появятся “узелки” и микрокляксы. От размера шарика зависит легкость и ровность письма. Сделали шарик вместо миллиметра диаметром всего 0,8 миллиметра и появилась тонкая, ровная линия без помарок. Писать такой ручкой можно без особых усилий.

Поэтому легко понять, почему процесс изготовления шарика столь сложен и продолжителен. Обычно он длится около недели и состоит из десятков самых различных технологических операций – от рубки нержавеющей проволоки на маленькие куски и их пердварительной обкатки до шлифовки и термической обработки. Едва ли после этого нужно говорить, что для производства такой маленькой и простой на вид детали требуется сложнейшее оборудование. Особенно, если учесть, что шариков требуется до 5,5 миллиона штук в сутки!