3.1.4. Термические печи прокатных цехов

3.1.4.1. Общая характеристика термических печей металлургических заводов

В прокатных цехах заводов черной металлургии термической обработке подвергают сортовой прокат, горяче- и холоднокатаный лист, холоднокатаную ленту, рельсы и др. Наиболее распространенные виды термической обработки следующие:

1) полный или изотермический отжиг (сортовой прокат);

2) нормализация или закалка с отпуском (горячекатаные толстые листы из специальной и легированной стали);

3) отжиг или высокий отпуск (горячекатаные тонкие листы из низкоуглеродистой и низколегированной стали);

4) низкотемпературный рекристаллизационный отжиг (холоднокатаные листы и ленты);

5) нормализация, изотермическая выдержка, отпуск (рельсы).

Все виды термической обработки проката могут быть разделены на две группы: 1) режимы, связанные со значительной выдержкой при определенной температуре и последующим медленным охлаждением (отжиг, отпуск); 2) режимы, связанные с нагревом металла в печи до определенной температуры с последующей выдачей на воздух (нормализации) или в жидкие среды (закалка).

Это обстоятельство оказывает решающее влияние на выбор типа печей. При термической обработке проката применяют печи садочные и проходные, которые принципиально отличаются друг от друга.

Садочные печи являются периодически действующими печами с переменной во времени температурой. Металл в них загружают на неподвижный под или на выкатную подину и в процессе нагрева он находится в неподвижном состоянии. Металл загружают обычно в полуостывшую печь и его нагрев осуществляется вместе с нагревом печи.

Проходные печи – печи постоянного действия с постоянной температурой во времени и с практически постоянной температурой в пределах рабочего пространства (печи камерного типа). В проходных печах металл в процессе нагрева перемещается от одного конца печи к другому при помощи специальных механизмов.

Преимущество садочных печей заключается в их универсальности, поскольку в них могут быть обеспечены любые температурные и тепловые режимы. Однако большим недостатком садочных печей является то, что они не обеспечивают желаемой равномерности нагрева металла и непригодны для поточного производства. Кроме того, в садочных печах большое количество тепла тратится непроизводительно на периодический нагрев кладки печи.

Проходные печи более совершенны, так как в них обеспечивается непрерывность, поточность производства и однородность нагрева металла. Работу этих печей можно полностью механизировать и автоматизировать. Неразрывность потока производства позволяет совместить термическую обработку с другими технологическими операциями (очисткой, травлением, резкой и др.).

Следует отметить, что строительство высокомеханизированных проходных печей требует значительных первоначальных капитальных затрат, которые, однако, впоследствии окупаются.

При нагреве металла в термических печах обязательными являются равномерность и относительная невысокая скорость нагрева без окисления и обезуглероживания поверхности.

Термические печи обычно работают на газообразном топливе. Для обеспечения равномерности нагрева металла горелки и дымоотборы следует размещать равномерно по длине рабочего пространства. Температура в термических печах может превышать конечную температуру металла не более чем на 50 – 70 К.

Протяжные печи для нагрева тонкой ленты обеспечивают очень высокую скорость нагрева при значительном перепаде температур (500 – 600 К). Сравнительно невысокая температура в термических печах не позволяет во многих случаях сжигать топливо непосредственно в рабочем пространстве. Сжигание топлива в рабочем пространстве затруднено, поскольку факел, характеризующийся высокой температурой, может вызвать нежелательный перегрев металла, а температура рабочего пространства бывает иногда недостаточна для достижения устойчивого горения топлива.

Рис. 136. Термическая печь с подподовыми топками

По указанным причинам топки термических печей часто размещают вне рабочего пространства или под подом печи (подподовые топки), или выносят за пределы печи (выносные топки). Применение подподовых топок позволяет обеспечить необходимую для равномерного нагрева циркуляцию газов.

На рис. 136 представлена термическая печь с подподовыми топками. Топливо сжигают в подподовых топках; образовавшиеся дымовые газы проходят под подом и поступают в рабочее пространство через канал 1. В топке развивается весьма высокая, необходимая для сгорания топлива температура, однако рабочее пространство ограждено от воздействия излучающего высокотемпературного факела.

Очень важное значение имеет канал 2, через который в подподовую топку подсасываются более холодные дымовые газы из рабочего пространства. В результате этого снижается до требуемого предела температура вновь образующихся при горении дымовых газов перед их выходом в рабочее пространство и обеспечивается циркуляция.

Обычно выполняют ряд подподовых топок по длине печи с шахматным расположением форсунок или горелок. При шахматном расположении горелок в рабочем пространстве печи достигается развитая циркуляция газов и обеспечивается тем самым равномерный нагрев металла. Наряду с подподовыми топками в термических печах применяют экранированные топки, в которых нагреваемый металл не воспринимает прямого излучения факела.

В зависимости от рабочей температуры можно разделить печи на три группы: высоко-, средне- и низкотемпературные.

Высокотемпературные печи (1373 – 1423 К) применяют для закалки и высокотемпературного отжига нержавеющих, кремнистых и других легированных сталей. При этом топливо сжигают в рабочем пространстве термической печи.

Среднетемпературные печи (873 – 1273 К) применяют для отжига, высокого отпуска и нормализации углеродистых и низколегированных сталей. В среднетемпературных печах в зависимости от рабочей температуры сжигают топливо в рабочем пространстве или применяют, подподовые и экранированные топки.

Низкотемпературные печи (до 873 К) применяют для низкого и среднего отпусков. В таких печах топливо всегда сжигают вне рабочего пространства, причем часто используют рециркуляцию дымовых газов.

При термической обработке металла используют специальные защитные атмосферы, чтобы получить металл с чистой, неокисленной поверхностью (светлый отжиг). Поэтому все существующие конструкции термических печей могут быть разделены на две большие группы: прямого нагрева и косвенного. В печах прямого нагрева металл не отделен от печных газов. Такие печи применяют в том случае, когда допустим контакт между металлом и дымовыми газами, которые оказывают на него окисляющее действие. Обычно металл (лист), нагреваемый в печах прямого нагрева, проходит последующее химическое травление.

В печах косвенного, нагрева (муфельных) нагреваемый металл отделен от печных газов. Такой метод нагрева применяют тогда, когда недопустимо даже незначительное окисление поверхности металла. Различают два принципа отделения металла от печных газов: муфелирование металла и муфелирование пламени.

В первом случае садку металла закрывают специальным металлическим колпаком-муфелем (съемным или стационарным). Под муфель подают специальную защитную атмосферу, препятствующую окислению металла. Тепло от печных газов передается муфелю, а от него – нагреваемому металлу.

Во втором случае топливо сжигают в специальных металлических трубах, называемых радиантными. Продукты сгорания в рабочее пространство печи не попадают, а, пройдя по трубе, уходят в атмосферу. В этом случае печь также заполняют защитной атмосферой во избежание окисления металла. Как при муфелировании металла, так и при муфелировании пламени необходима высокая степень герметизации, чтобы избежать попадания в печь атмосферного воздуха.

Печи прямого нагрева обычно применяют для нормализации (закалки) и отжига сортового проката и горячекатаного листа. Печи косвенного нагрева применяют для светлого отжига холоднокатаного листа, ленты и проката других видов.

В садочных печах применяют выкатные подины, специальные загрузочные машины и крановое оборудование. В проходных печах для транспортировки металла через печь применяют шагающий и роликовый поды и специальные конвейеры.