Нагрев металла перед прокаткой

Обновлено: 07.01.2025

Прокатка — один из самых распространённых видов обработки металлов давлением. Заключается в обжатии металла между двумя, реже тремя, вращающимися в разные стороны валками. Силами трения заготовка затягивается в зазор между валками и обжимается по высоте.

Г орячая прокатка ведется при температуре выше температуры рекристаллизации. При повышенной температуре металл снижает свою прочность, что дает возможность снижать усилия, которые необходимы для его пластического деформирования. Непосредственно в ходе деформирования металла происходит его рекристаллизация с постоянным образованием новых зерен. Постоянное образование новых зерен обеспечивает сохранение высокой пластичности металла. Это дает возможность достигать больших величин деформации без разрушения металла. Контроль конечных размеров при горячей обработке более труден из-за образования окалины и объемных изменений при последующем охлаждении [2].

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 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 прокатки достаточно узкий, ограниченный различными изменениями в структуре металла.

При прокатке металла, имеющего температуру выше температуры рекристаллизации, ослабляются причины, вызывающие упрочнение — искажение кристаллической решетки, остаточные напряжения. Сопротивление металла деформации в процессе прокатки остается на исходном уровне, не снижается пластичность. Чем выше температура нагрева металла под прокатку, тем меньше деформирующее усилие и выше пластичность. Однако чрезмерно повышать температуру нагрева не рекомендуется.

Энергосберегающие технологии нагрева металла в колодцах, методических и термических печах. Горячий посад и прямая прокатка

Прокатный передел занимает второе место, после доменного производства по затратам энергии на изготовление готовой продукции, причем 95% приходится на долю газа и электроэнергии. На нагрев заготовок под прокатку в печах приходится 60%, а непосредственно на прокатку – 40% энергозатрат. В качестве топлива для нагревательных печей используется природный газ – 40%, коксовый газ – 30%, доменный газ – 25%, и 5% мазут.

Методы энергосбережения при нагреве слитков в колодцах

Нагревательные колодцы в основном используются для нагрева слитков при прокатке на блюмингах и толстолистовых станах (ТЛС).

В связи с переходом на использование непрывнолитой заготовки слитковый передел постепенно убирают с заводов и количество нагревательных колодцев пребывающих в эксплуатации сокращается. Однако нагревательные колодцы все равно будут использоваться при производстве проката из специальных марок сталей и плит на толстолистовых станах.

Рис. 10. Схема рекуперативного колодца с верхней горелкой: 1 – керамический рекуператор; 2 – каналы для холодного воздуха; 3 – металлический рекуператор; 4 – подвод компрессорного воздуха; 5 – дымовое окно; 6 – слитки; 7 – шлаковая чаша; 8 – дымовой шибер

Слитки нагревают в колодцах рекуперативного (рис. 10), регенеративного (рис. 11) типов и электрических. Расход топлива на нагрев слитков в рекуперативных колодцах
составляет 27…35 кг у.т./т, в регенеративных – 30…40 кг у.т./т.

Рис. 11. Схема регенеративного нагревательного колодца: 1 – крышка; 2 – механизм перемещения крышки; 3 – газовый регенератор; 4 – воздушный регенератор; 5 – слитки; 6 – шлаковая летка; 7 – рабочее пространство (ячейка); 8 – шлаковая чаша; 9 – золотник газового клапана; 10 – газовый клапан; 11 – подвод газа к ячейке

В колодцах рекуперативного типа теплоотдача от дымовых газов к газу и воздуху для горения происходит в трубчатых рекуператорах. В колодцах регенеративного типа теплопередача осуществляется через нагрев дымовыми газами регенеративной насадки, после чего происходит перенаправление потоков и через насадку проходит уже газ и воздух для горения, затем, когда насадка остынет, снова происходит перекидка клапанов и насадка опять нагревается дымовыми газами, а газ и воздух нагреваются уже через другую
предварительно нагретую насадку.

Основные методы энергосбережения при нагреве слитков в колодцах следующие:

• повышение температуры слитков, подаваемых в нагревательные колодцы, до 800…830 °С. Повышение температуры посада на каждые 100 °С эквивалентно снижению расхода топлива на 4…6 кг/т;
• повышение доли горячего посада до 90…98%;
• нагрев слитков с повышенным теплосодержанием (с жидкой сердцевиной). По этой технологии слиток вынимается из изложницы, когда степень кристаллизации металла составляет 70…75% и помещается в ячейку при отключенной подаче топлива для завершения процесса кристаллизации и последующего подогрева. Технология позволяет на 40…50% повысить производительность нагревательных колодцев, на 50…70% уменьшить расход топлива и на 3…5 кг/т потери стали с угаром. Особенностью теплового состояния слитка перед его прокаткой является более высокая температура оси по сравнению с температурой поверхности
• импульсный нагрев слитков. Для импульсного нагрева слитков используют те же горелочные устройства, что и при обычном нагреве, но с измененными расходными характеристиками. При этом топливо подают в колодец периодически. Продолжительность одного импульсного включения 9…13 мин., количество циклов подачи топлива при горячем посаде 8…14, при холодном 18…20. При этом удельный расход топлива снижается на 13…16% а продолжительность нагрева на 15%.

Горячий посад металла и прямая прокатка

Горячий посад (ГП) непрерывнолитых и горячекатаных слябов и заготовок в методические печи стана и прямая прокатка (ПП) являются эффективными мероприятиями, которые обеспечивают снижение расхода топлива на нагрев металла под прокатку.

В общем случае горячим посадом считается посад металла с температурой более 600 °С, теплый 300…600 °С, холодный меньше 300 °С.

Прокатка металла транзитом от обжимных заготовочных станов, или непосредственно от МНЛЗ с небольшим подогревом (или без него) в проходных печах называется прямой прокаткой. Данное технологическое мероприятие уменьшает расход топлива на 15…60% относительно расхода при холодном посаде (ХП).

На рис.12. приведен расход энергии в МДж/т при различных технологических схемах производства от жидкой стали до широкополосного проката. Цифрами обозначен удельный расход энергии в МДж/т на предыдущей операции. Справа даны данные о суммарном расходе энергии и экономии энергии по сравнению с холодным посадом.

Рис. 12. Сравнительный расход энергии при различных схемах прокатки

Таким образом затраты энергии при холодном посаде фактически в 2 раза больше чем при использовании схемы прямой прокатки. А использование МНЛЗ вместо слиткового передела позволяет сократить расход энергоресурсов на 20…40% при аналогичных схемах прокатки.

Экономия энергоресурсов при нагреве металла в методических печах

Нагрев слябов и заготовок под прокатку в основном производят в методических печах (рис. 13). В трехзонной печи различают зоны подогрева, сварочную и томильную. В современных методических печах может быть от 5 до 7 зон нагрева. Существуют методические печи с глиссажными трубами, с шагающими балками и шагающим подом. Для подогрева металла в случае использование прямой прокатки и на ЛПА применяют роликовые проходные печи.

Рис. 13. Схема трехзонной методической печи:1 – нагреваемый металл; 2 – окно выдачи заготовок; 3 – горелки; 4 – дымоход; 5 –толкатель; 6 – томильная зона; 7- сварочная зона; 8 – зона подогрева

В среднем в современной методической печи распределение теплоты от сгорания топлива происходит следующим образом: на нагрев заготовок расходуется 58 % тепла, на охлаждающую воду/пар – 12%, через стенки печи теряется 11 %, и 19 % выносится с отходящими газами.

Известны следующие методы экономии энергоресурсов в методических печах:

• увеличение длины неотапливаемой зоны печи за счет чего используется большее количество теплоты отходящих газов;
• установка камер предварительного подогрева заготовок отходящими газами. При подогреве металла отходящими газами расход топлива может быть сокращен на 15%;
• повышение температуры подогрева воздуха продуктами горения до 700° С, что позволяет при увеличении температуры нагрева воздуха на каждые 100°С экономить 4…5 кг у.т./т;
• совершенствование конструкций горелок для обеспечения полного сжигания топлива;
• установка газокислородных, в том числе беспламенных горелок, которые уменьшают расход топлива на 25…40 % (за счет того, что исключается нагрев азота в воздухе, который используется в обычных горелках), увеличивают производительность печи и ее нагревательную способность, а также снижают окалинообразование и выброс вредных веществ;
• применение легковесных термоизоляционных материалов в т.ч. волокнистых огнеупоров. Например, термоизоляция подовых труб или балок, выполняемая из огнеупорных волокнистых материалов, позволяет сократить расход топлива на 18…25% и повысить производительность печи на 15%;
• применение систем испарительного охлаждения, которые позволяют утилизировать тепло из системы охлаждения печи, в которой до 15…20% теплоты, подаваемой с топливом, отводится системой охлаждения конструктивных элементов печи. При этом около 90% теплоты, воспринимаемой охлаждаемыми элементами печи, приходится на долю подовых труб (балок);
• оптимизация работы печей с использованием автоматики позволяет снизить расход топлива на 15…20 кг/т.;
• использование физической теплоты отходящих газов нагревательных печей для выработки пара в котлах-утилизаторах;
• применение технологии низкотемпературной прокатки.

Энергосберегающие технологии индукционного нагрева

Индукционный нагрев металла (рис. 14) перед прокаткой позволяет снизить затраты на энергоресурсы, повысить качество проката и выход годного металла. Расчеты показывают, что стоимость тепловой энергии, получаемой сжиганием природного газа и затрачиваемой на нагрев металла, в 1,4 раза больше стоимости электроэнергии при индукционном нагреве.

Рис. 14. Индукционный нагрев металла (а) и длинномерных заготовок (б)

Установки индукционного нагрева имеют хороший КПД и обеспечивают равномерный нагрев. Однако применение только индукционного нагрева часто оказывается слишком дорогим, особенно, в случае с тонкими слябами. Поэтому рекомендуется применять систему, которая бы использовала газовую печь для основного нагрева и применяла бы индукционную технику для тонкого регулирования температуры только перед самой прокаткой.

Наиболее экономически выгодный подход, снижающий стоимость нагрева тонны металла при существенном уменьшении окалинообразования и обезуглероживания, заключается в подогреве металла после выхода из газовой печи (900…1150 °С) до температуры прокатки (1150…1250 °С).

Доведение температурного поля сляба до необходимых кондиций непосредственно перед прокаткой можно осуществлять в индукционных нагревателях благодаря ряду преимуществ, таких как хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, небольшие габариты установок и т.д. Различные виды индукционных подогревателей приведены на рис 15.

Рис. 15. Индукционные подогреватели полосы

Установки индукционного нагрева потребляют на 73…80 % меньше конечной энергии, чем газовые установки. Также преимуществом индукционных установок являются широкие возможности регулирования диапазона нагрева, что приводит к повышению качества продукта и увеличению срока службы прокатного стана.

Снижение расхода энергии в печах для термообработки

Для термической обработки металлов применяются печи разнообразных типов и конструкций, в зависимости от вида обработки (закалка, отпуск и т. п.), веса и габарита изделий, рода применяемого топлива, характера производства и ряда других факторов.

Основные пути снижения расхода энергии в печах для термообработки:

• использование тепла прокатного передела. Закалка с прокатного нагрева позволяет не только экономить топливо, но и получать прокат из рядовых марок сталей с механическими характеристиками, которые свойственны легированным;
• горячий посад толстых листов в нормализационные печи;
• сокращение длительности и температуры нагрева, применение более простых режимов;
• совершенствование конструкции термических печей с целью повышения КПД;
• рекуператоры для использования теплоты отходящих газов колпаковых печей, могут снизить расход топлива на 16…20%.

Источник: Скляр В. О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. – Донецк.: ДонНТУ, 2014. – 224 с.

Цели и периоды нагрева металла перед прокаткой

Нагрев слитков и заготовок перед прокаткой должен обес­печивать пластичность, хорошее качество стали и наимень­шее сопротивление деформации. Чем выше температура нагрева, тем меньше расход энергии при прокатке. В этом случае при увеличенных обжатиях уменьшаются случаи поломок валков и других деталей стана. Нагрев также дол­жен обеспечить повышение механических свойств, умень­шение чувствительности стали к флокенам и др.

Продолжительность нагрева металла определяется фи­зико-химическими свойствами нагреваемой стали, темпера­турными условиями, зависящими от конструкции печи, рас­положения металла в печи, формы и размеров нагреваемых изделий и др.

Правильно выбранный режим и температурные интерва­лы нагрева позволяют получить однофазную структуру. Благодаря диффузии происходит перераспределение приме­сей и выравнивание состава металла (гомогенизация).

При неправильном режиме нагрева неизбежны пере­грев, пережог, повышенный угар металла, оплавление, обез­углероживание или науглероживание и плохая структура, а также мотут появиться трещины, рванины, образования плены. Несоблюдения установленных режимов охлаждения и нагрева металла приводит к образованию «скворечников», разрушению металла при нагреве или получению продольных и поперечных трещин.

При нагреве металла происходит окисление его с обра­зованием окалины, которая является источником потерь годного металла. Угар металла при нормальной работе на­гревательных устройств составляет 1—2 % массы металла, а при неудовлетворительной работе до 4—5 %. Если учесть, что при прокатке слитка металл нагревают несколько раз, то можно принять угар в среднем 3—4 % массы металла. Кроме того, окалина при прокатке вдавливается в металл, что ухудшает качество поверхности.

На образование окалины влияет температура, продол­жительность пребывания металла при высоких температу­рах, скорость нагрева и печная атмосфера. Образование окалины протекает более энергично при температурах выше 900—1000 °С. Окисление металла в печи тем больше, чем дольше металл находится в печи при высоких температу­рах. Угар тем меньше, чем больше скорость нагрева. Для уменьшения угара процесс горения газов должен протекать при наименьшем избытке воздуха и с наибольшей полнотой, причем давление в печи должно быть положительным.

На окисление металла оказывает также влияние отно­шения поверхности нагреваемого металла к его объему: чем больше это отношение, тем сильнее окисление металла.

Это особенно следует учитывать при нагреве сутунок и лис­тов, имеющих большую поверхность. Для уменьшения ока­лины сутунки и тонкие листы нагревают до более низких температур (800—900°С).

При нагреве происходит также и обезуглероживание по­верхностного слоя металла, или уменьшение содержания углерода в нем, что ухудшает качество металла. Обезугле­роживание зависит от тех же факторов, что и окалинообразование. С увеличением температуры нагрева обезуглеро­живание сильно увеличивается, особенно при нагреве ста­лей с повышенным содержанием углерода (шарикопод­шипниковой, инструментальной). В этом случае обезуглероживание делает сталь непригодной для изготовления ре­жущего инструмента или шариков вследствие уменьшения твердости стали. Из-за большой разницы в коэффициентах расширения обезуглероженных и нормальных слоев метал­ла в быстрорежущей стали иногда образуются трещины. Установлено, что наиболее обезуглероживающей средой яв­ляются пары воды, затем углекислота и, наконец, водород.

Наряду с перегревом металла наблюдается пережог. При температурах, близких к точке плавления составляю­щих стали, внутрь ее проникает кислород, который окисля­ет зерна. В результате связь между зернами стали настолько ослабляется, что металл при прокатке или другой обра­ботке давлением разваливается на части. Пережог металла происходит тем легче, чем выше температура нагрева и чем более окислительная атмосфера в печи. Окислительные га­зы могут диффундировать в металл при температурах ниже температуры плавления чистого металла или сплава. Чем выше содержание углерода в стали, тем при более низкой температуре происходит пережог. Из легированных сталей наиболее чувствительны к пережогу хромистые, никелевые и хромоникелевые стали. Особенно подвержены пережогу высоколегированные стали, что объясняется легкоплавко­стью межкристаллитного вещества.

Явления перегрева и пережога чаще всего возможны при вынужденной задержке металла в печи. В этом случае понижают температуру в печи и уменьшают количество по­даваемого воздуха.

Температура нагрева для различных сталей неодинако­ва. Для углеродистых сталей она на 150— 200 °С ниже тем­пературы точки плавления. Температуру нагрева большин­ства других сталей и сплавов устанавливают на основании исследования влияния температуры на пластические свой­ства и определения температуры пережога. Температура нагрева должна быть ниже температуры пережога и дол­жна обеспечивать наивысшую пластичность металла при прокатке.

Для многих сталей температуру нагрева устанавлива­ют, исходя из необходимости уменьшить окалинообразование и особенно обезуглероживание. По этой причине при прокатке мелких сечений, например мелкосортных профи­лей, температуру нагрева приходится устанавливать на 100—150 °С ниже той, при которой сталь обладает наи­высшей пластичностью и малым сопротивлением деформации.

Режим нагрева слитков в нагревательных колодцах за­висит от температуры слитков при посаде, теплопроводно­сти и пластичности сталей.

Сталь в зависимости от химического состава имеет следующую теплопроводность, Вт/(м 2 •град):

Из приведенных данных видно, что теплопроводность сталей понижается с повышением содержания примесей в них и оказывает сильное влияние на скорость нагрева, особенно в области низких температур.

Горячие слитки из сталеплавильных цехов подают к на­гревательным колодцам поплавочно или по составам, когда большегрузную плавку разливают на два состава. Один состав состоит из 25—30 изложниц.

Температуру поступающих слитков определяют по гра­фикам (рис. 62) или по таблице (табл. 5), разработанным на каждом заводе на основании практических данных.

Режим нагрева металла устанавливают в зависимости от марки стали, формы слитков и температуры их поверх­ности.

В табл. 6 приведены данные одного из заводов по про­должительности нагрева слитков в регенеративных нагре­вательных колодцах. По режиму нагрева сталь разделена на пять групп:

1. первая группа объединяет всю кипящую сталь, в том числе типа Армко;
2. во вторую группу входит спокойная углеродистая сталь с содержанием углерода до 0,3 %;
3. к третьей группе относят углеродистую сталь, содер­жащую 0,31—0,5 % С, марганцовистую сталь 15Г, З0Г и 10Г2, хромистую сталь 15Х—35Х и сталь марок СХЛ-1, НЛ-1, НЛ-2, 14ГС;
4. к четвертой группе относят углероди­стую сталь, содержащую 0,51—0,75% С, марганцовистую сталь 40Г-70Г. 20Г2— 50Г2, автоматную и хромистую сталь марок 40Х и 45Х;
5. к пятой группе относят сталь марок 55С2, 60С2, 60С2ХА, 40СХ, 35ХГС, У7, У8, X11, Э12, Э21.

Особенно осторожно следует нагревать холодные слитки высокоуглеродистых и легированных сталей из-за того, что они имеют низкую теплопроводность и пластичность при температурах 500—600 °С. Посадка слитков этих сталей в сильно нагретые камеры колодцев или нагрев их со слиш­ком большими скоростями могут привести к образованию трещин.

Чтобы не снижать температуру колодцев при посадке холодных слитков высокоуглеродистых и легированных ста­лей, последние подогревают в специально выделенной для этой цели группе колодцев.

При остановке блюминга на ремонт оставшиеся по ка­ким-либо причинам нагретые слитки держат в ячейках при 900—1100 °С

При нагреве слитков в регенеративных нагревательных колодцах применяют обычно жидкое шлакоудаление. В этом случае после выдачи слитков из ячейки ее разогре­вают до 1400—1450 °С и спускают шлак через специальное отверстие (шлаковик). Разогрев камеры и спуск шлака длятся 30—40 мин.

В зависимости от технологии нагрева и конструкции нагревательные устройства могут обеспечивать одноступен­чатый, двухступенчатый, трехступенчатый и многоступенча­тый нагрев.

Одноступенчатый нагрев осуществляют при постоянной температуре печи или при постоянном тепловом потоке. Его применяют для нагрева листов, труб, заготовок, суту­нок и одиночных горячих слитков. Двухступенчатый нагрев состоит из собственно нагрева и выдержки при посто­янной температуре. Его применяют для нагрева горячего посада всех марок стали в двухзонных методических печах и холодного посада углеродистой стали в нагревательных колодцах. Двухступенчатый нагрев при постоянном тепло­вом потоке в первый период и постоянной температуре печи во втором периоде применяют для нагрева пакетов листов, труб и рулонов. Трехступенчатый нагрев включает в себя три периода. В первый период скорость нагрева поддержи­вают небольшой при увеличивающемся тепловом потоке. Второй период — это период ускоренного нагрева при по­стоянном тепловом потоке. Третий — период томления при постоянной температуре. Этот режим применяют в трехзон­ных нагревательных печах, нагревательных колодцах для холодного углеродистого и легированного металла и печах скоростного нагрева. Многоступенчатый нагрев применяют при термической обработке. Он состоит из ряда периодов нагрева, выдержки и охлаждения. Для обеспечения обраба­тываемости труднодеформируемых сталей удлиняют пери­од выдержки (что соответствует гомогенизирующему от­жигу).

Нагрев металла перед прокаткой

В технологическом процессе прокатного производства исключительно большую роль играет нагрев металла, особенно высоколегированных, легированных и высокоуглеродистых сталей перед прокаткой. Нагрев металла в пламенных печах и колодцах прокатных цехов занимает свыше 99% времени всего цикла производства проката (без учета охлаждения металла и его адъюстажной отделки).

От нагрева металла в большой степени зависит качество готовой продукции, производительность прокатных станов, расход энергии и другие показатели работы прокатных цехов. Правильно выбранная технология нагрева металла в сочетании с правильным режимом его пластической деформации и охлаждения может в значительной степени локализовать отдельные дефекты литой стали, улучшить все характеристики готового сорта, и, наоборот, неудачно выбранная технология нагрева может привести к образованию новых пороков и получению окончательного брака.

Нагрев металла перед прокаткой должен обеспечить повышение его пластичности, снижение сопротивления деформации при прокатке и улучшение физико-механических и физико-химических свойств стали, как например, растворение карбидов при нагреве слитков шарикоподшипниковой стали, снижение флокенообразования флокеночувствительных легированных сталей и т. д.

Правильное определение температуры нагрева является чрезвычайно ответственной задачей. Практически температуру нагрева металла устанавливают, исходя из специфических особенностей работы того или иного завода. При этом принято ориентировочно считать, что температура нагрева металла должна быть на 150° - 250° ниже температуры плавления и на 100° - 120° ниже температуры пережога.

Для сталей большинства марок диапазон температур нагрева колеблется в пределах 1050°- 1300°.

При установлении температурного режима нагрева металла необходимо учитывать также температурный интервал прокатки, который оказывает большое влияние на производитель­ность прокатного стана, качество готовой продукции и выход годного.

При определении температурного интервала прокатки учитывается пластичность, и сопротивление стали деформации при различных температурах, а также требования к структуре металла. Обычно стремятся, чтобы температурный интервал прокатки соответствовал состоянию металла в области твердого раствора гамма-железа и заканчивался немного выше линии GS (на диаграмме железо - углерод). Для стали каждой марки характерен свой температурный интервал прокатки, обеспечивающий получение наилучших физико-механических свойств и структуры при оптимальных технико-экономических показателях работы стана.

Правильность установления температуры нагрева для стали данной марки может быть проверена экспериментально тремя способами. Первый способ обоснован на скручивании круглых образцов металла при различных температурах. Температура, при которой образец выдержит без разрушения наибольшее число скручиваний вокруг своей продольной оси, является оптимальной. Второй способ заключается в горячей осадке под молотом специально отлитых при разливке плавки проб в виде маленьких слиточков, размерами несколько больше маркировочных проб. Эти слиточки нагреваются до различных температур и ссаживаются под молотом в одинаковых условиях. Оптимальной является температура, при которой поверхность осаженных слиточков наиболее чистая.

Третий способ проверки правильности температуры - прокатка образцов на клин. Для этой цели отливаются несколько слитков квадратного сечения 35 мм * 35 мм или 45 мм* 45 мм, высотой 850 мм - 900 мм. От этих слитков отрезают образцы длиной 200 мм - 250 мм, которые нагревают до различных температур прокатки и прокатывают на клин в валках с переменным сечением или на обычных валках клиновых образцов. Осмотр образцов показывает, при какой температуре и обжатии получается наиболее чистая поверхность, что характеризует оптимальный режим.

При нагреве металла контролируются следующие показатели:

а) температура в каждой зоне нагревательного устройства в продолжение всего периода нагрева;

б) скорость нагрева в каждой зоне печи;

в) общая продолжительность нагрева;

г) газовая атмосфера печи (контролируется на содержание Н₂; СО, СО₂ и СH₄ в продуктах горения с тем, чтобы предупредить интенсивное окисление и обезуглероживание металла);

д) расход газа и воздуха;

е) давление в печи (колодцах), нормальный уровень которого должен быть 5-6 атм;

ж) температура в борове печи (колодцах);

з) своевременность кантовки (в процессе нагрева металла, особенно легированных сталей, для равномерного прогрева слитков и заготовок систематически, через определенные промежутки времени, производится их кантовка).

При нагреве в одной ячейке или печи слитков или заготовок разного развеса, но стали одной марки, нагрев ведется по металлу меньшего развеса. При нагреве в одной ячейке слитков разных марок режим нагрева устанавливается по стали, требующей более медленного подъема температур и более низкой температуры выдачи.

На современных нагревательных устройствах регулировка режима нагрева и контроль могут осуществляться при помощи счетно-решающих машин и телевизионных установок.

При выдаче металла контролируется, прежде всего, температура нагрева, которая проверяется оптическим пирометром, фотоэлементом или другими приборами при выдаче металла из печи и в начале прокатки. Одновременно проверяется равномерность прогрева слитка по всей высоте (визуально и по поведению его в процессе прокатки) - неравномерно нагретые слиток или заготовка будут изгибаться при прокатке из-за неравномерной вытяжки. Проверяется также состояние поверхности металла (визуально) и поплавочная выдача металла из нагревательных устройств, соответствие которой с заданной схемой посадки контролируется согласно записям на печной доске и в печном журнале.

Данные контроля нагрева металла заносятся в специальную карточку в виде приложения к паспорту плавки, которая сопровождает плавки на всех последующих переделах в прокатном цехе.

Прокатка металла

Прокатка является одним из наиболее прогрессивных способов получения готовых металлоизделий и занимает ведущее положение среди существующих способов обработки металлов давлением.

Современные прокатные станы представляют собой механизированные сложные агрегаты с большой производительностью.

Рис. 1: Схема продольной прокатки Рис. 2: Схема поперечной прокатки

По способу прокатки все станы могут быть разделены на три большие группы: станы продольной прокатки, поперечной прокатки и косой прокатки.

Продольная прокатка основана на деформации металла валками, расположенными параллельно в одной плоскости и вращающимися в разные стороны; ось прокатки металла перпендикулярна большим осям валков (рис. 1).

Поперечная прокатка - это деформация металла двумя валками, вращающимися в одну сторону; ось прокатки параллельна большим осям валков (рис. 2).

Косая прокатка представляет собой деформацию металла двумя валками, расположенными под определенным углом друг к другу и вращающимися в одну сторону. При этом металл задается в валки вдоль их больших осей (рис. 3). Такое расположение валков придает металлу вращательное и поступательное движение.

Последние два способа прокатки предназначены для изготовления изделий в виде тел вращения (трубы, шары и т. д.).

Кроме способов прокатки, станы подразделяются:

1) по числу валков (дуо, трио, кварто и многовалковые);

2) по расположению рабочих клетей (линейные, непрерывные, полунепрерывные и т. д.).

Рис. 3 Схема косой прокатки

3) по назначению прокатываемой продукции (сортопрокатные, листовые, проволочные);

4) по вращению валков (реверсивные и нереверсивные).

Все поступающие на завод валки контролируются по геометрическим размерам, состоянию поверхности, твёрдости, химическому анализу и структуре (микро- и макро-). Итоги проверки заносятся в специальный журнал учёта и хранения валков.

За расточкой новых валков и переточкой бывших в употреблении устанавливается тщательный контроль в вальцетокарной.

а) соответствие геометрических размеров калибров, диаметра валков, буртов и других параметров данным чертежа;

б) состояние поверхности валков, на которых не должно быть царапин, рисок, подрезов и других дефектов;

а) качество шлифовки листовых валков (класс чистоты поверхности);

b) отсутствие эксцентричности (не должно быть биение валка);

c) комплектность и маркировка валков.

К арматуре стана относятся все сменные детали (коробки, линейки, брусья, пропуска, проводки и т.д.), применяющиеся для крепления, направления и удержания металла при прокатке в определенном положении. Кроме этого, в линейных станах для передачи полосы из одной клети в другую применяются еще обводные аппараты различных конструкций.

От настройки и состояния становой арматуры в очень большой степени зависит производительность стана и качество готовой продукции. Арматура должна обеспечить легкость задачи полосы в стан при одновременном удержании ее в определенном положении без колебаний и повреждений поверхности прокатываемого металла. С этой стороны хорошо зарекомендовала себя роликовая арматура - роликовые проводки, роликовые коробки и др.

Одним из основных условий высокой производительности прокатных станов и получения продукции высокого качества является правильная настройка стана.

Схема настройки стана зависит от его конструкции и выпускаемой продукции. В настройку всех станов входят следующие общие элементы:

1. Расчет режима обжатий по проходам.

2. Установка и закрепление валков. Валки всех станов, кроме станов косой прокатки, не должны иметь перекосов в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В калиброванных валках должно быть точное совмещение калибров, что проверяется по диагонали калибров нутромером.

3. Соединение валков шпинделями. При этом необходимо соблюдать заданные углы наклона. Всякий излишний перекос шпинделей ведет к усложнению работы стана и создает дополнительные трудности в его настройке.

4. Подбор и установка становой арматуры, которая должна точно соответствовать прокатываемому профилю и иметь чистую гладкую поверхность соприкосновения с прокатываемым металлом.

5. Установление скоростей прокатки.

6. Получение профиля заданных размеров и чистой поверхности, без закатов, волчков, рисок и других дефектов. Настройка стана на получение профиля производится на бракованном металле. При горячей сортовой прокатке пробы для проверки размеров отбираются с трех мест из передней, средней и задней части полосы с тем, чтобы учесть влияние разности температур по длине раската.

7. Проверка состояния подшипников. Подшипники должны быть правильно уложены (без перекосов), и выработка их не должна превышать допустимую. Возможную выработку подшипников в процессе прокатки следует учитывать. По данным С. Н. Филиппова, износ текстолитовых подшипников в чистовых клетях среднесортного стана равен 0,03 мм/час.

8. Подготовка и проверка мерительного инструмента (кронциркуля, шаблона, линейки и др.).

Как в процессе настройки, так и во время работы стана необходимо тщательно следить за температурой валков, малейшее нарушение режима охлаждения валков может привести к изменению размеров прокатанного металла.

После получения нужного профиля необходимо систематически контролировать вышеуказанные требования в процессе прокатки. На новых современных станах правильная настройка стана и контроль за его работой производится соответствующей аппаратурой: бесконтактными толщиномерами и ширине мерами и фотоэлементами для замера температур. Особенно эффективными являются счетно-решающие машины, автоматически регулирующие работу станов.

Процесс охлаждения металла после прокатки представляет собой чрезвычайно ответственную часть технологии прокатного производства. Особенно большую роль этот процесс играет для производства изделий из высоколегированных, легированных и высокоуглеродистых сталей. Неправильно выбранный процесс охлаждения или нарушение установленного может резко ухудшить качество выпускаемой продукции, вплоть до получения брака.

Контроль технологических операций охлаждения металла должен обеспечить строгое выполнение установленных инструкций и предупредить возможность образования брака, а также дать анализ причин ухудшения качества выпускаемой продукции и снижения выхода годного.

1) состояние колодцев (печей) на отсутствие подсоса воздуха, герметичность закрытия, правильность установки термопар, исправность измерительной аппаратуры;

2) температура колодцев для замедленного охлаждения и печей для изотермического отжига перед загрузкой в них металла; контроль температуры осуществляется посредством простых термопар со стационарными или переносными гальванометрами;

3) соответствие поступившего металла паспортным данным, проверяется клеймовка, количество штук;

4) температура металла перед загрузкой в колодцы или термические печи; до 800° замеряется оптическим пирометром, а при меньших температурах — радиационным пирометром типа РП с многослойной термобатареей;

5) время посадки металла в колодцы (печи);

6) порядок загрузки колодцев (печей); в журнал заносится перечень плавок, количество штанг и размещение их в колодцах;

7) температура металла в колодцах и печах в процессе охлаждения и изотермического отжига; контроль осуществляется посредством термопар, установленных в колодцах (печах) и фиксируется на потенциометре или гальванометре;

8) регулировка скорости охлаждения металла в колодцах;

9) длительность охлаждения металла в колодцах и изометрических печах;

10) общая продолжительность охлаждения металла;

11) температура металла при выгрузке из колодцев (печей). Замер температуры производится термопарами, радиационными пирометрами типа РП и термокарандашами (с температурным интервалом 200 о -470 о ).

История государства Древнего Египта: Одним из основных аспектов изучения истории государств и права этих стран является.

Тест Тулуз-Пьерон (корректурная проба): получение информации о более общих характеристиках работоспособности, таких как.

Основные факторы риска неинфекционных заболеваний: Основные факторы риска неинфекционных заболеваний, увеличивающие вероятность.

Что входит в перечень работ по подготовке дома к зиме: При подготовке дома к зиме проводят следующие мероприятия.

Поиск по сайту

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. 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.

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 нагревена 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 печитемпература одинакова. В методической печи температура изменяется по длине печи.

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. Нагревательные колодцы применяют для нагрева слитков и бывают регенеративные, рекуперативные и электрические. Регенеративные и рекуперативные колодцы называются так потому, что в них используются регенераторы и рекуператоры - специальные устройства (насадки, трубы) для подогрева воздуха (до 800-850 °С) и газа (до 300-350 °С) за счет частичного использования тепла отходящих продуктов горения. Слитки нагревают в вертикальном положении, что предотвращает опасность смешения усадочной раковины и устраняет их кантовку. Большая часть поверхности слитков омывается продуктами сгорания и получает тепло излучения от кладки, что обеспечивает равномерный и быстрый нагрев.

В настоящее время предпочтение отдается рекуперативным нагревательным колодцам с отоплением из центра подины или с отоплением одной верхней горелкой, которые характеризуются, высоким уровнем и качеством нагрева, достаточно простой конструкцией, компактностью. Каждая группа колодцев состоит из четырех камер. Годовая производительность одной группы составляет 250000 т нагретого металла в год. Угар металла в рекуперативных нагревательных колодцах достигает 2,5-3 % от массы нагревательных 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.

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.

Дефекты нагрева

При нагреве металла в пламенных печах происходят процессы, которые оказывают влияние на дальнейшую обработку и качество металла. Состав печной атмосферы является главным фактором, влияющим на качество нагрева металла. В результате нагрева поверхность металла окисляется и обезуглероживается.

При окислении металла на поверхности заготовки образуется окалина, которая ухудшает качество поверхности и уменьшает линейные размеры заготовки. Поэтому размеры заготовок, подвергаемых нагреву, должны иметь припуск, учитывающий потери металла на угар (окалина).

При нагреве под обработку давлением припуски составляют 2—5%, при термической обработке 0,5—2%, а в общем цикле горячей обработки достигают.7—8%. Из приведенных цифр видно, что потери металла на угар составляют значительную величину.

При температурах 1150—1350°С вместе с процессом окисления металла происходит процесс его интенсивного обезуглероживания, т. е. снижения содержания углерода на поверхности заготовки. Обезуглероживание изменяет механические свойства поверхности нагреваемого металла. С повышением содержания углерода в стали обезуглероживание увеличивается. Инструментальная сталь при обезуглероживании становится мягкой, а инструмент из такой стали — нестойким.

Перегрев приводит к образованию большой величины зерна стали и является исправимым браком, который устраняют повторной термообработкой. Пластические свойства стали в результате перегрева ухудшаются и при деформировании в ней могут возникать трещины.

Если перегретый металл продолжать нагревать в печи длительное время при высоких температурах, то произойдет пережог — окисление границ зерен. Пережог является неисправимым браком. Пережженный металл идет на переплавку.

Для предупреждения указанных дефектов при нагреве металла необходимо соблюдать следующие условия: сжигать топливо с минимально возможным количеством воздуха, что приводит к уменьшению количества свободного кислорода в составе печных газов; размещать в печи заготовки так, чтобы они омывались печными газами, а факелы пламени горелок или форсунок не были направлены на заготовки.

Интервалгорячей пластической деформации 1180 - 850 С. Пригорячей пластической деформации температура начала прокатки, ковки и других операций должна обеспечивать возможно более полное превращение аустенита в б-феррит во избежание образования трещин или рванин. Присутствие аустенита в стали в момент пластической деформации способствует возникновению дефектов вследствие различия фазовых составляющих по физическим свойствам, а также прочности и пластичности. По данным А. А. Бабакова [70], необходимо, чтобы в начале горячей пластической деформации сталь содержала не более 8 - 10 %, а в конце ее 25 - 30 % аустенита. Особенно важно соблюдать эти условия при горячей прокатке на непрерывных станах и горячей прошивке труб

4. Типы прокатных клетей, применяющиеся в составе толстолистовых станов, их характеристика.

Читайте также:

  
• 1 копейка какой металл
  
• Обтяжка фланцев для металлических прокладок ведется
  
• Бассейн из металлической бочки своими руками
  
• Усталость металла что это такое
  
• Изготовление штампованных изделий из листового металла