Печи для нагрева заготовок под прокатку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Печи для нагрева заготовок под прокатку

Нагрев металла перед прокаткой осуществляется с целью повышения его пластичности и уменьшения его сопротивления деформации. Нагрев является одной из важных и основных операций в процессе прокатки. Он должен обеспечить равномерное распределение температуры по сечению прокатываемого металла, его минимальное окисление и обезуглероживание.

Характер передачи тепла определяет способ нагрева металла. Различают два способа; прямой и косвенный. Если тепло аккумулируется непосредственно в самом металле, а температура окружающей среды остается ниже температуры металла, то такой способ называется прямым. Если тепло металлу передается за счет соприкосновения его поверхности с какой-либо средой (газообразной, жидкой, твердой), нагретой до более высокой температуры, то такой способ нагрева называется косвенным.

Передача тепла металлу при косвенном нагреве происходит за счет конвекции и излучения. Количество тепла, передаваемое излучением в нагревательных печах, достигает 80 % всего тепла. При нагреве металла происходит активное химическое взаимодействие его с окружающими газами, в результате чего поверхностные слои его окисляются и обезуглероживаются. Окисление поверхности металла называется угаром. При нагреве стали окисленный слой представляет собой окалину, которая образуется в результате диффузионного процесса окисления железа и примесей, входящих в состав стали. Окалина состоит из окислов железа в виде соединений Fe₂0₃, Fe₃0₄ и FeO, располагающихся в трех слоях. Наружный ее слой Fe₂0₃ - гематит составляет примерно 2% от общей толщины окалины, промежуточный слой Fe₃0₄ - магнетит примерно 18%, а внутренний FeO - вюстит - 80%.

Образование окалины при нагреве приводит к потере годного металла. При нормальной работе нагревательных устройств угар металла составляет 1-2% массы металла, а при неудовлетворительной их работе 4-5%. Если учесть, что в процессе прокатки металл нагревается несколько раз, то можно принять угар в среднем 3-4% от массы металла. Активное окалинообразование при нагреве стали начинается при температуре около 700 °С и возрастает особенно быстро при температурах выше 900 °С.

На величину угара, то есть на величину образования окалины, влияют:

- температура нагрева;

- атмосфера рабочего пространства нагревательного устройства;

- продолжительность нагрева;

- химический состав металла;- форма и размеры нагреваемой заготовки.

На рисунке показано влияние температуры и продолжительности нагрева металла в печи на окалинообразование.

металл нагрев печь индукционный

Видно, что окисление металла тем больше, чем больше времени он находится в печи при высоких температурах, и тем меньше, чем больше скорость нагрева.

1 - влияние температуры в печи на окалинообразование;

2 - влияние продолжительности нагрева на окалинообразование.

При нагреве легированных сталей и сплавов окалинообразование снижается в результате наличия Cr, Ni, Al, Si и т.д. Эти легирующие компоненты образуют плотную пленку окислов, которая препятствует дальнейшему окислению металла.

На скорость окисления оказывает влияние состояние наружной поверхности металла. При наличии слоя окалины, образовавшегося в результате предыдущего нагрева, металл окисляется с меньшей скоростью, так как этот слой окалины предохраняет в какой-то степени металл от окисления. Отношение поверхности нагреваемого металла к его объему также оказывает влияние на окисление металла: чем больше это отношение, тем сильнее окисление металла.

Одновременно при нагреве металла происходит и обезуглероживание его поверхностного слоя, представляющее процесс взаимодействия печных газов с углеродом стали, приводящее к уменьшению содержания углерода в поверхностном слое металла.

Глубина обезуглероженного слоя зависит:

- от содержания углерода в стали;

- температуры нагрева;

- продолжительности нагрева.

Углеродистые стали с содержанием углерода до 0,30-0,40% почти не обезуглероживаются, а с содержанием углерода выше 0,40% процесс обезуглероживания протекает тем интенсивнее, чем больше содержание углерода. Повышение температуры и продолжительности нагрева также увеличивают глубину обезуглероженного слоя. Таким образом, на процесс обезуглероживания влияют те же факторы, что и на окалинообразование.

Повышение температуры металла при его нагреве, как правило, благоприятно влияет на процесс прокатки. Однако при нагреве выше определенной для данной стали температуры происходит рост зерна, который ведет к ослаблению связи между ними и тем самым к ухудшению механических свойств стали. Что приводит к образованию на металле трещин и рванин. Такое явление называется перегревом. Иногда свойства перегретой стали можно улучшить, подвергнув ее термической обработке. Сильный перегрев исправить нельзя.

При температурах нагрева, близких к точке плавления стали, внутрь ее проникает кислород, который окисляет зерна. В результате связь между зернами стали настолько ослабляется, что металл при прокатке разрушается. Это явление называется пережогом. Оно происходит тем легче, чем выше температура нагрева и чем больше окислительная атмосфера в печи. Явления перегрева и пережога чаше всего возможны при вынужденной задержке металла в печи. Чтобы избежать перегрева и пережога необходимо понижать температуру печи и уменьшать количество подаваемого воздуха.

При назначении режимов нагрева металла обычно исходят из следующих параметров: температуры и скорости нагрева, времени выдержки при постоянной температуре (томления). При прокатке металл нагревают до возможно высоких температур, так как в этом случае снижаются расход энергии, усилие деформации, износ инструмента. При назначении температуры нагрева, как правило, верхний предел температуры нагрева ограничивается явлениями перегрева и пережога и устанавливается на 100-150 °С ниже точки плавления, а нижний предел - температурой рекристаллизации, т.е. минимально допустимой температурой конца прокатки. У некоторых сталей и сплавов температурный интервал прокаткидостаточно узкий, ограниченный различными изменениями в структуре металла.

Скорость нагрева зависит от теплопроводности металла. Чем выше теплопроводность, тем выше скорость нагрева, и наоборот. Для сталей с низкой теплопроводностью нагрев со слишком большими скоростями может привести к образованию трещин в результате возникновения внутренних напряжений из-за перепада температур между поверхностями и внутренними слоями. Поэтому нагрев таких сталей следует вести медленно, особенно до 600-650 °С. При температуре нагрева выше 700 °С все стали можно нагревать с максимально возможной скоростью. Большая скорость нагреваобеспечивает не только высокую производительность нагревательных устройств, но и предотвращает образование некоторых дефектов.

После достижения заданной температуры нагрева с целью выравнивания температуры металла по его сечению его в течение определенного времени выдерживают в печи. Этот третий период нагрева улучшает качество нагреваемого металла, так как происходят некоторые структурные изменения, выравнивание химического состава в результате диффузии и соответствующее улучшение механических свойств, диффузионное удаление водорода, наличие которого в некоторых сталях приводит к образованию флокенов после прокатки.

В зависимости от технологии нагрева нагревательные устройства могут обеспечить одно-, двух-, трех- и многоступенчатый нагрев.

Одноступенчатый нагрев осуществляется при постоянной температуре печи или при постоянном тепловом потоке. Его применяют для нагрева листов, труб, заготовок, сутунок и одиночных горячих слитков.

При двухступенчатом нагреве на первой ступени осуществляется собственно нагрев, на второй - выдержка при постоянной температуре. Двухступенчатый нагрев применяется для нагрева горячего посада всех марок стали в двухзонных методических печах и холодного посада углеродистой стали в нагревательных колодцах.

Трехступенчатый нагрев состоит из первой ступени, на которой скорость нагрева поддерживается небольшой, на второй - ускоренный нагрев, и на третьей - томление при постоянной температуре. Этот режим применяют в трехзонных нагревательных печах, нагревательных колодцах и др.

Многоступенчатый нагрев применяется при термической обработке. Он состоит из ряда периодов нагрева, выдержки и охлаждения.

По режиму нагрева различают камерные и методические печи. В рабочем пространстве камерной печи температура одинакова. В методической печи температура изменяется по длине печи.

Камерные печи, обобщённое название группы промышленных печей, в которых изделия остаются неподвижными относительно печи в течение всего периода нагрева. Камерные печи применяют для нагрева металлических заготовок перед прокаткой и ковкой, для термической обработки металлических и стеклянных изделий, обжига керамических и эмалированных изделий. Камерные печи классифицируют по конструкции: вертикальная печь, колпаковая печь, нагревательный, печь с выдвижным подом, ямная печь и др. Если в камерные печи одновременно находятся несколько изделий, а загружают и выдают их по одному, то температура печи постоянна. При сложных режимах обработки, когда изделия необходимо нагревать (или охлаждать) с определённой скоростью, температуру печи соответственно изменяют. Камерные печи отапливают газом или жидким топливом. Термические камерные печи, работающие с атмосферой контролируемого состава, обогревают электрическими нагревателями сопротивления или радиантными трубами. Часто электрический обогрев целесообразен для обеспечения точности режима термической обработки и при нагреве без атмосферы контролируемого состава. Наиболее широко распространены камерные печи с неподвижным подом, применяемые в кузнечных цехах. Рабочее пространство этих печей выполняют в форме параллелепипеда длиной 0,6-2 м, шириной 0,6-1,5 м и высотой до 1 м. Производительность печей - 70-600 кг/ч, расход тепла - 5000-7000 кдж/кг.

По способу загрузки и выгрузки различаются печи периодического и непрерывного действия. В печах периодического действия металл в процессе нагрева остается неподвижным. В печах непрерывного действия нагреваемый металл перемешается вдоль печи.

По типу источников тепла печи разделяются на электрические (индукционные, сопротивления) и пламенные (газовые и др.).

По способу использования тепла продуктов сгорания печи делятся на рекуперативные и регенеративные.

Нагревательный колодец, печь для нагрева стальных слитков перед прокаткой. Их устанавливаются перед обжимными станами (блюмингами и слябингами), на которых обычно прокатывают слитки массой не менее 2-3 т. Рабочее пространство, нагревательного колодца, имеющее форму параллелепипеда, закрывается крышкой, передвигаемой с помощью напольного крана. Слитки загружают в Нагревательный колодец и выдают их краном с клещевым захватом. В нагревательных колодцах слитки находятся в вертикальном положении. Благодаря этому исключается опасность смещения усадочной раковины при поступлении в колодец слитков с незастывшей сердцевиной, а также обеспечивается быстрый нагрев металла (т.к. тепло подводится через всю поверхность слитка).

Нагревательный колодец - печи периодического действия, характеризующиеся переменным во времени тепловым и температурным режимами. Колодцы отапливают, как правило, доменным или коксодоменным газом; на ряде заводов применяют природно-доменный газ. Оптимальная тепловая мощность 200-300 Мдж/т садки (нагреваемых слитков).

Нагревательные колодецы классифицируют по конструктивным признакам: регенеративные, рекуперативные (с отоплением из центра пола или одной верхней горелкой) и электрические. К торцам рабочего пространства примыкают регенераторы для подогрева газа и воздуха. Основные недостатки нагревательного колодеца такого типа - несовершенство системы сжигания топлива и трудность автоматизации процесса нагрева. В новых цехах регенеративные нагревательные колодецы не строятся.

Рабочее пространство рекуперативных нагревательных колодецев с отоплением из центра пода имеет форму квадрата со стороной 4,5-5 м, глубиной около 3 м. Слитки устанавливают у стен. Горелка расположена в середине пода и направлена вертикально вверх. К рабочей камере с двух сторон примыкают камеры рекуператоров для подогрева воздуха. Основное преимущество рекуперативных нагревательный колодец с отоплением из центра пода - высокое качество нагрева металла. Недостаток нагревательного колодеца этого типа - потери воздуха в рекуператорах. Такими колодцами оснащены многие станы, сооруженные в СССР в 50-х гг. 20 в. Рекуперативные нагревательный колодец с одной верхней горелкой имеют рабочее пространство длиной 6-10 м, шириной 2,5-3,5 м и глубиной 3,5-4,5 м. Колодец отапливается горелкой, расположенной горизонтально в верхней части одной из торцовых стен рабочего пространства. Продукты сгорания отводятся через окна в нижней части той же стены, к которой примыкает рекуператор для подогрева воздуха. Благодаря тому, что подогретый воздух подаётся к горелке инжектором, исключаются потери воздуха в рекуператоре. Достоинство нагр.колодца этого типа - высокая степень использования площади цеха. Такими колодцами оснащены обжимные станы, построенные в СССР в 60-х гг.

Для нагрева слитков качественной стали в ряде случаев применяют электрические нагревательные колодецы. Нагревательными элементами в таких колодцах служат карборундовые желоба, заполненные нефтяным коксиком в качестве материала сопротивления. Желоба установлены вдоль рабочего пространства по всей длине. Электрические нагревательные колодецы бывают сдвоенные (с разделительной стенкой), с двухсторонним обогревом, с тремя нагревателями и с одним нагревателем в середине. В нагревательном колодеце такого типа окисление металла при нагреве не превышает 0,2-0,3% (вместо 1% в др. Нагревательный колодец). Подавая в рабочее пространство небольшие количества газа или мазута, можно создать в колодцах науглероживающую среду. Электрические нагревательный колодец экономически эффективны при нагреве горячих слитков.

Для нагрева блюмов, слябов и заготовок перед прокаткой используются методические нагревательные печи непрерывного действия различных типов и конструкций. Современные печи бывают двух-, трех- и многозонными.

Наиболее важными классификационными признаками методических печей являются:

- температурный режим по длине печи;

- характер нагрева металла;

- способ выдачи металла из печи (боковая или торцовая выдача).

Нагреваемый металл в методической печи, перемещаясь от окна загрузки к окну выдачи, проходит последовательно зоны с различной температурой, соответствующей заданному режиму нагрева. По мере продвижения металл отбирает тепло у печных газов, движущихся ему навстречу, и постепенно (методически) нагревается. Печные газы, отдавая тепло металлу, в конце печи через соответствующие каналы попадают в регенераторы или рекуператоры и в боров, а через него в дымовую трубу. В I зоне - методической происходит нагрев до невысоких температур, во II зоне - сварочной - нагрев до температуры обработки, а в томильной зоне III - выдержка.

По способу перемещения нагреваемых заготовок методические печи разделяются на толкателъные, с шагающим подамили балками и с вращающимся подом.

В толкательных печах заготовки, подаваемые в рабочую камеру толкателем заполняют весь пол, соприкасаясь друг с другом. По мере заталкивания новой заготовки вся масса нагреваемого металла продвигается к окну выдачи по водоохлаждаемым глиссажным трубам, и очередная заготовка по наклонным направляющим падает на приемный рольганг.

Принцип перемещения металла в печах с шагающим подом (балками) иной. Под печи состоит из подвижных (шагающих) и неподвижных балок. Шагающие балки поднимают заготовки, затем совершают движение вперед и опускают их на неподвижные балки. После этого подвижные балки возвращаются в исходное положение. Такое движение повторяется многократно. При этом заготовки, лежащие на шагающих балках с зазорами, перемещаются вдоль печи. По сравнению с толкательными печи с шагающим подом (балками) имеют следующие преимущества:

- сокращение продолжительности нагрева и повышение его равномерности благодаря расположению заготовок на балках с зазорами и тем самым возможности обогрева их с трех или четырех сторон;

- более легкое освобождение печи от металла в случае аварийных ситуаций;

- возможность нагрева заготовок любой формы поперечного сечения;

- отсутствие ограничений печи по длине и ширине;

- лучшие технические показатели работы печи.

Для нагрева заготовок при поштучной прокатке тонких листов применяют печи с вращающимся подом или карусельные. Заготовки укладываются через боковое окно загрузки на под печи, а обогрев печи осуществляется при помощи горелок, расположенных по окружности печи с внутренней и наружной сторон. По мере вращения пода на полный оборот заготовка нагревается до необходимой температуры и перемещается к боковому окну выдачи. Продолжительность нагрева определяется скоростью движения пода и длиной окружности печи. Карусельная печь -- до 5 м, производительность -- до 5 м/ч. Карусельная печь отапливают газовым или жидким топливом с помощью горелок или форсунок, установленных на стене печи. Схема карусельной печи: 1 -- дисковый вращающийся под; 2 -- нагреваемое изделие; 3 -- окно загрузки и выдачи; 4 -- опорный ролик; 5 -- механизм вращения пода; 6 -- горелка; 7 -- дымопровод для отвода продуктов сгорания.

Кольцевая печь, промышленная печь, в которой нагрев изделий происходит на кольцевом вращающемся поде. Эту печь применяют главным образом для нагрева заготовок при прокатке труб, колёс и бандажей железнодорожного подвижного состава, для термической обработки металлических изделий, а также для нагрева заготовок из цветных металлов перед прокаткой. Первая Кольцевая печь разработана в 1925 советским изобретателем Н.Д. Булиным. Кольцевая печь состоит из вращающегося пода и неподвижного кольцевого канала, перекрытого сводом. Кольцевые щели между вращающимся подом и неподвижной частью печи уплотняют водяными затворами. Изделия загружают в печь и выдают из неё через окна при помощи специальных загрузочно-разгрузочных машин (напольных или крановых). Рабочее пространство печи между окнами разделено жаростойкой перегородкой. В кольцевой печи небольшого размера загружают и выдают изделия через одно окно. Под печей вращается на опорных роликах с помощью электрического привода. Наружный диаметр кольцевой печи 10--30 м, а ширина пода 1,5--6 м, производительность до 75 mlч. . Небольшие кольцевые печи работают с постоянной температурой по всему объёму печи. Кольцевая печь отапливают газом или жидким топливом. При наружном диаметре печи 10--12 м горелки или форсунки устанавливают только на наружной стене, а при большем -- на наружной и на внутренней стенах. Схема кольцевой печи: 1 -- кольцевой вращающийся под; 2 -- нагреваемое изделие; 3 -- окно загрузки; 4 -- окно выдачи; 5 -- опорный ролик; 6 -- привод вращения пода; 7 -- горелка; 8 -- дымопровод для отвода продуктов сгорания из печи в боров; 9 -- разделительная перегородка.

Прогрессивным способом нагрева является индукционный нагрев. Металл, перемещаясь при помощи толкателя через индуктор, нагревается за счет возникающих в нем вихревых токов (токи Фуко), создаваемых магнитным полем индуктора.

Индукционный нагрев происходит быстро, экономично, с точной выдержкой заданной температуры.

Электроконтактный способ нагрева обеспечивает равномерное распределение температуры по поперечному сечению и высокую скорость нагрева. Металл при этом способе нагрева нагревается в 30-50 раз быстрее, чем при топливном нагреве. После нагрева практически не образуются окалина иобезуглероженный слой.

Литература

1.Григорьев В.Н., Кольцевые печи для нагрева металла, М., 1958; Справочник конструктора печей прокатного производства, под ред. В.М. Тымчака, М., 1970, гл. 24 и 31.

2. Аксельруд Л.Г. Сухов И.И., Тымчак В.М., Нагревательные колодцы, М., 1962.

Приложение

Карусельная печь

Схема карусельной печи: 1 -- дисковый вращающийся под; 2 -- нагреваемое изделие; 3 -- окно загрузки и выдачи; 4 -- опорный ролик; 5 -- механизм вращения пода; 6 -- горелка; 7 -- дымопровод для отвода продуктов сгорания.

Кольцевая печь

Схема кольцевой печи: 1 -- кольцевой вращающийся под; 2 -- нагреваемое изделие; 3 -- окно загрузки; 4 -- окно выдачи; 5 -- опорный ролик; 6 -- привод вращения пода; 7 -- горелка; 8 -- дымопровод для отвода продуктов сгорания из печи в боров; 9 -- разделительная перегородка.

Размещено на Allbest.ru