Как раскалённую сталь прокатывают в листы, уголки и двутавры

Рельс, уголок на стройке, лист кровельного железа, швеллер в перекрытии — всё это когда-то прошло между вращающимися валками. Металлопрокатом называют то, что выходит из прокатного стана, и у этой технологии долгая история: первые станы катали не сталь, а свинец для органных труб.

От свинцовых листов к рельсам

Принцип прокатки прост: заготовку зажимают между двумя валками, которые вращаются навстречу друг другу, и она выходит тоньше и длиннее. Считается, что прокатный стан с деревянными валками нарисовал ещё Леонардо да Винчи. Первые работающие станы появились в конце XVI века: деревянная станина, два железных валка и крестовина, которой рабочий вращал верхний. На них катали свинцовые листы для органных труб, а потом серебро и золото для чеканки монет.

Железо долго считали непригодным для прокатки. Раскалённая заготовка быстро остывала от валков, а холодную её можно было только гнуть и резать. Первые станы для полосового железа приводили в движение водяные колёса, в 1786 году к стану впервые подключили паровую машину, а вскоре после 1900-го пар уступил электромоторам.

Современную прокатку часто ведут от англичанина Генри Корта. В 1780-х годах он запатентовал валки с ручьями — канавками разного сечения, через которые заготовку пропускают по очереди, от большего калибра к меньшему. Такой стан давал в день примерно в 15 раз больше железа, чем молот. В XIX веке главным продуктом прокатных цехов стали рельсы, а флоту понадобилась броня: первый стан для броневых плит в 1859 году сконструировал русский механик Василий Пятов. До этого толстую броню получали, сковывая между собой тонкие листы.

Что выходит из прокатного стана

Прокат бывает горячим, тёплым и холодным — в зависимости от того, насколько металл нагрет относительно температуры рекристаллизации. Горячая прокатка нужна, чтобы быстро изменить форму толстой заготовки, холодная даёт точные размеры и гладкую поверхность.

Всё многообразие профилей называют сортаментом, и делится он на несколько больших семей.

• Листовой прокат: толстолистовая сталь толще 4 мм, тонкий горячекатаный и холоднокатаный лист, рулоны, жесть, лента.
• Сортовой прокат простого сечения: круг, квадрат, шестигранник, полоса, катанка.
• Фасонный прокат: уголок, швеллер, двутавровая балка, рельсы, профили для судостроения.
• Периодические профили, у которых сечение меняется по длине, — например, арматура с рёбрами.

Двутавр — балка с сечением в виде буквы «Н» — объясняет, зачем вообще нужны фасонные профили. При той же площади сечения он примерно в 30 раз жёстче на изгиб и в 7 раз прочнее квадратного бруса. Зато скручивание держит плохо, примерно в 400 раз хуже круглой трубы того же сечения, поэтому там, где балку будет крутить, ставят трубы.

Как металл режут газом и плазмой

Прокат редко идёт в дело целиком: его режут по размеру. При газопламенной резке металл нагревают пламенем и выжигают струёй кислорода. Плазменная резка устроена иначе. Электрическая дуга превращает газ, поданный в сопло под давлением в несколько атмосфер, в струю плазмы с температурой от 5 до 30 тысяч градусов и скоростью до 1500 м/с. Так режут металл толщиной до 200 мм.

Для чёрных металлов в плазменных резаках обычно используют кислород или воздух, для цветных — азот, аргон, водород. Тонкие и средние листы плазма режет в несколько раз быстрее газового пламени, а на простых деталях обгоняет и лазер — в 2–3 раза. Баллоны с кислородом и горючим газом ей не нужны, а лист почти не коробит от нагрева.

Эйфелева башня как каталог проката

Самый известный в мире прокатный «конструктор» — Эйфелева башня. Её собрали из 18 038 деталей пудлингового железа общим весом 7300 тонн, соединив их 2,5 миллиона заклёпок. Положение отверстий под заклёпки задавали с точностью до миллиметра, и на месте ничего не сверлили: деталь, которая не подходила, отправляли обратно на завод. Чтобы башня не ржавела, раз в семь лет на неё уходит около 60 тонн краски.

Сегодня масштабы другие. В 2023 году мир выплавил почти 1,9 млрд тонн стали, больше половины — Китай, который ещё в 2020 году первым перешагнул рубеж в миллиард тонн за год.

А если расплавить все 7300 тонн металла башни, ими можно залить квадрат её основания слоем всего около шести сантиметров.