3.1.4.3. Печи для термической обработки горячекатаных листов

Горячей прокаткой обычно получают листы толщиной более 1,7 мм. Толстые горячекатаные листы низкоуглеродистых и низколегированных сталей подвергают обычно неполному или изотермическому отжигу и нормализации и высокому отпуску.

Для термообработки горячекатаных листов применяют садочные, колпаковые печи и проходные, в основном роликовые, печи.

В колпаковых печах проводят чистый черный отжиг металла, который нагревается под муфелем, но без защитной атмосферы. Печи подобного типа широко применяют при производстве холоднокатаного листа и ленты.

Из проходных печей наибольшее распространение имеют печи с роликовым подом. Эти печи нашли широкое применение для нагрева листов, сорта, рельсов, бунтов проволоки; металл с рольганга поступает на ролики печи, вращающиеся от одного привода или от индивидуальных приводов. Скорость вращения роликов может быть различной. Ролики обычно выполняют из жаропрочной стали.

Конструкция роликов зависит от назначения и температуры рабочего пространства печи. В печах для термообработки тонкого листа применяют ролики с дисками (рис. 141) Диски, располагаемые в шахматном порядке, заходят друг за друга и препятствуют попаданию листа под ролики. Печи для толстого листа (сорта, рельсов) с рабочей температурой 1073 – 1273 К оборудуют роликами с неводоохлаждаемой бочкой. Для печи с температурой 1273 – 1473 К ролик выполняют водоохлаждаемым. Пространство между бочкой и валом заполняют теплоизоляцией (шамотным или диатомитовым порошком). Роликовые печи в зависимости от их назначения выполняют различной ширины. Правильный выбор ширины роликовой печи очень важен, так как чем шире печь, тем большую нагрузку испытывают ролики. В работающей печи нельзя останавливать вращения роликов во избежание их прогиба. Поэтому длина роликовых печей всегда больше суммарной длины загружаемых в печь листов; в этом случае в процессе нагрева возможно непрерывное вращение роликов, осуществляемое перемещением листов вперед – назад.

Рис. 141. Печь с роликовым подом

Роликовые печи обычно отапливают газообразным топливом, применяя инжекционные и пламенные горелки. При нагреве, например, толстого листа, рельсов горелки располагают в боковых стенах печи выше и ниже уровня роликового пода. Для обеспечения более равномерного нагрева широких листов горелки устанавливают и на своде печи.

Производительность роликовых печей колеблется от 4 – 5 до 40 т/ч при удельной производительности около 250 кг/(м²ּч) и удельном расходе тепла 3350 – 5030 кДж/кг.

Преимущества роликовых печей: 1) наилучшее соответствие поточному производству, так как роликовый под может служить продолжением цехового рольганга; 2) отсутствие подсоса холодного воздуха, увеличивающего окисление металла; 3) скорость и равномерность нагрева более высокая, чем в печах других типов.

3.1.4.4. ПЕЧИ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ХОЛОДНОКАТАНЫХ ЛИСТОВ И ЛЕНТ

Для термической обработки применяют колпаковые садочные печи и протяжные печи постоянного действия. В колпако-вых печах термообработке подвергают стопы листов или рулоны ленты. В протяжных печах происходит обработка одного слоя ленты, что обеспечивает большую скорость и равномерность нагрева.

Протяжные печи являются более прогрессивными агрегатами, соответствующими требованиям современного поточного производства. Они обычно входят в состав непрерывных линий, в которых наряду с термообработкой металла осуществляют ряд других технологических операций (травление, нанесение покрытий и др.). Однако, несмотря на эти преимущества, современное производство холоднокатаного листа не может обойтись без колпаковых печей. В связи с ускоренным охлаждением ленты, отожженной в протяжных печах, ее жесткость выше, чем жесткость ленты, отожженной в колпаковых печах. Такая лента непригодна для глубокой вытяжки.

Основным видом термической обработки холоднокатаного металла является низкотемпературный рекристаллизационный отжиг. Скорость охлаждения ленты в протяжных печах велика по сравнению со скоростью охлаждения в колпаковых печах. Поэтому получается более мелкозернистая структура и как следствие выше предел текучести и твердость металла. В протяжных печах структура получается однородной, чего нельзя сказать о металле, отожженном в колпаковых печах.

Колпаковым печам, как и печам садочного типа, свойственна неравномерность нагрева металла, в результате чего наблюдается различие в его структуре и свойствах. Режим работы протяжных печей связан с технологией термической обработки.

Колпаковые печи. В колпаковых печах листы отжигают в пакетах, а рулоны – в стопах. Для ускорения нагрева используют принудительную циркуляцию защитной атмосферы. Между рулонами устанавливают специальные прокладки, которые позволяют защитной атмосфере циркулировать между рулонами и способствовать тем самым прогреву рулонов в осевом направлении.

Применяют много- и одностопные колпаковые печи. В многостопных печах один нагревательный колпак приходится на несколько стоп, которые взаимно экранируют друг друга. Это приводит к неравномерности нагрева стопы, необходимости увеличения выдержки и как следствие к снижению производительности.

Более совершенны одностопные колпаковые печи, в которых рулоны прогреваются равномернее. Однако в экономическом отношении многостопные печи более предпочтительны. Их целесообразно применять при массовом производстве, когда сортамент отжигаемого металла сравнительно неширок. При большом разнообразии сортамента отжигаемого металла одностопные печи позволяют более гибко вести производство.

Печи с муфелированием металла. Колпаковая печь для светлого отжига листов представлена на рис. 142. Печь предназначена для отжига листов, уложенных в стопу. Нагрев стопы листов целесообразно вести так, чтобы тепло поступало к торцам листов, а не в поперечном направлении. Между листами, сложенными в стопу, находится газовая прослойка, которая снижает теплопроводность стопы в поперечном направлении по сравнению с теплопроводностью оплошного металла.

У печи есть два колпака: внутренний (из листового железа) и наружный (футерованный), на котором размещены горелки. Внутренний колпак – это муфель, которым закрывают стопы, помещенные на неподвижный под (стенд) печи. Внизу внутреннего муфеля устроен песочный затвор, обеспечивающий необходимую герметизацию печи. Под внутренний муфель по специальной трубке подают защитную атмосферу.

Весь процесс отжига делится на следующие стадии: а) загрузка стоп металла на стенд; б) установка внутреннего муфеля и продувка подмуфельного пространства защитной атмосферой для удаления воздуха; в) нагрев садки до 923 – 1023 К (с защитной атмосферой); г) охлаждение садки под внутренним муфелем до 423 К (с защитной атмосферой); охлаждение от 423 К на воздухе и разгрузка стенда.

Выдавать металл на воздух с температурой выше 423 К нельзя во избежание появления на поверхности металла цветов побежалости.

Время нагрева садки до 923 – 1023 К примерно в три раза меньше суммарного времени охлаждения садки до 423 К, загрузки и разгрузки металла. Поэтому обычно на один наружный колпак приходятся три стенда. Когда один стенд находится под наружным колпаком, второй разгружают и загружают, а на третьем охлаждают металл под внутренним муфелем. Колпак переносят с одного стенда на другой специальным мостовым краном. Масса наружного колпака составляет 40 т. В качестве топлива можно использовать любое газообразное топливо; обычно применяют коксо-доменную смесь.

Рис. 142. Колпаковая печь для светлого отжига пакетов листов

Дымовые газы отдают тепло внутреннему муфелю, а он в свою очередь передает тепло нагреваемому металлу. Удаляют дымовые газы из рабочего пространства при помощи эжектора.

Масса садки в колпаковых печах составляет 80 – 120 т, удельная производительность достигает 250 – 300 кг/(м²ּч), а удельный расход топлива равен 1260 – 1400 кДж/кг.

Колпаковые печи с муфелированием металла также широко применяют для светлого отжига рулонов холоднокатаной ленты. Обычно по высоте печи устанавливают вертикально три-четыре рулона, между которыми размещают специальные прокладки. Если основной поток тепла поступает к рулону в радиальном направлении, то равномерность и скорость нагрева невелики. Для ускорения нагрева создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем, для чего служит специальный вентилятор.

Колпаковые печи для отжига рулонов ленты обычно одностопные (рис. 143) и трехстопные (рис. 144).

Как видно из рис. 143 и 144, в конструкциях колпаковых печей для отжига рулонов и колпаковых печей для отжига лисгов много общего. Садка трехстопных колпаковых печей составляет 120 т. Один наружный нагревательный колпак обслуживает три печных стенда. Отличительной особенностью этих печей является применение трех (по числу стоп) внутренних муфелей и наличие вентилятора для создания циркуляции защитной атмосферы. В одностопных печах металл нагревается равномерно и более быстро.

В работе колпаковых печей для отжига ленты в рулонах большое значение имеет циркуляция защитного газа. Если сравнивать работу колпаковой речи при отсутствии циркуляции и с циркуляцией, то видно, что производительность при циркуляции увеличивается в 2 – 3 раза, а удельный расход тепла на отжиг уменьшается. Циркуляция позволяет не только ускорить нагрев рулонов, но и повысить равномерность нагрева садки.

Циркуляцию осуществляют при помощи вентиляторов с крыльчаткой центробежного типа. Крыльчатка помещена под стопой внутри специального направляющего аппарата. Вентилятор засасывает защитный газ из внутренней полости стопы рулонов и через направляющий аппарат подает его в щель между наружным и внутренним цилиндрами двойного муфеля или вдоль стен внутри одинарного муфеля. Поднимаясь вдоль стен муфеля, газ нагревается и затем поступает во внутреннюю полость стопы через специальные кольца, проложенные между рулонами. Проходя с большой скоростью между рулонами, газ отдает тепло торцу рулона, значительно ускоряя его нагрев. Чтобы защитный газ направлялся между рулонами, внутреннюю полость их сверху закрывают специальной крышкой.

Рис. 143. Одностопная колпаковая печь для отжига рулонов ленты

Рис. 144. Трехстопная колпаковая печь для отжига рулонов ленты

Печи с муфелированием пламени. Светлый отжиг металла также осуществляют в колпаковых печах, в которых топливо сгорает внутри радиантных труб.

Печи с радиантными трубами применяют для светлого отжига металла в рулонах (рис. 145). Эти печи отапливают газообразным топливом с теплотой сгорания не ниже 7500 кДж/м³. Температура нагрева металла 923 – 1023 К. Масса садки зависит от размеров печи и колеблется в пределах 20 – 80 т. Удельная производительность печей составляет 150 – 250 кг/(м²ּч) при удельном расходе тепла 1050 – 1420 кДж/кг.

Рис. 145. Одностопная печь с радиантными трубами

Для предотвращения окисления металла в печах применяют внутренний металлический муфель. Этот муфель позволяет осуществить циркуляцию защитной атмосферы.

Протяжные печи для термо- и термохимической обработки тонкой ленты и жести. Выше отмечалось, что отжиг рулонов в колпаковых печах широко применяют. Однако этому методу присущи следующие недостатки: цикл отжига длится очень долго (в течение нескольких дней); равномерный нагрев металла не обеспечивается; невозможно полностью механизировать и автоматизировать загрузку, транспортировку и уборку рулонов, для этого требуются большие производственные площади.

Поэтому более широкое распространение получают непрерывные линии с протяжными печами, которые применяют для светлого отжига жести и светлой закалки нержавеющей полосы, цинкования тонкого листа и лужения жести, производства электротехнических сталей.

Протяжные печи могут быть разделены на две большие группы: горизонтальные и вертикальные (башенные). Для горизонтальных печей длина ленты не превышает 200 м; скорость движения 2 м/с, так как при больших значениях трудно обеспечить центрирование при движении ленты через печь. Производительность горизонтальных печей невелика и их обычно применяют при небольшом объеме производства. В вертикальных печах условия центрирования более благоприятны, поэтому длина ленты в таких печах может достигать 1 км, а скорость движения 10 м/с. Такие печи более распространены, так как при весьма высокой производительности они занимают небольшую производственную площадь.

Рис. 146. Схема линий с протяжными печами: а – линия для отжига жести с вертикальной печью; б – то же с многоэтажной горизонтальной печью; 1 – разматыватель рулонов; 2 – тянущие ролики; 3 – ножницы; 4 – машины для сварки концов; 5 – устройства для очистки ленты; 6 – моющее устройство; 7 – устройство для сушки ленты; 8 – петлевая башня; 9 – петлевая яма; 10 – вторая петлевая башня или яма; 11 – устройства для натяжения ленты; 12 – регулятор натяжения ленты; 13 – ножницы; 14 – сматыватели

Подобные печные линии обычно состоят из трех секций: входной, печной и выходной (рис. 146). Входная и выходная секции отделены от печной секции петлевыми башнями, в которых накапливается запас полосы. Во входной и выходной секциях скорости синхронизируются со скоростями движения полосы в рабочей (печной) секции. Для этого устраивают специальные петлевые ямы, в которых положение свободно висящей петли контролируется фотоэлементами. Скорость движения полосы во всех агрегатах задают в зависимости от скорости нагрева и охлаждения полосы.

На входном участке происходят сварка рулонов, обезжиривание и очистка полосы при помощи специальных щелочных ванн; на выходном участке – разрезка полосы после намотки рулона нужного размера.

Печная секция состоит из четырех камер: нагрева, выдержки, замедленного и быстрого охлаждения. В камере нагрева металл нагревается до конечной температуры 973 – 1003 К. В этой камере применяют или электронагреватели, или сжигают газ в радиантных трубах. Отжиг полосы проводят обычно в азотной защитной атмосфере (96% N₂ и 4% H₂O). Чтобы дымовые газы не попадали в печь, радиантные трубы работают под разрежением. Разность между температурой в печи и конечной температурой металла составляет около 200 К, при этом время нагрева полосы с толщиной 0,25 мм составляет 15 – 20 с. Предельная температура печи 1273 К, выше которой возможны перегрев и разрыв полосы. Камера нагрева с радиационными трубами приведена на рис. 147. Камера выдержки конструктивно выполнена так же, как и камера нагрева, но с той лишь разницей, что в камеру выдержки подается такое количество тепла, которое достаточно для покрытия тепловых потерь.

В камере замедленного охлаждения температура металла падает с 973 – 1003 до 753 К в течение 25 с. Камера оборудована воздухоохлаждаемыми трубами и электронагревателями. Скорость охлаждения регулируют изменением расхода воздуха. Электронагреватели включают при разогреве и остановках печи/

В камере быстрого охлаждения металл охлаждается до заданной температуры. Применяют две системы высокоскоростного охлаждения. Первая система предусматривает установку в камере большого числа водяных теплообменников со встроенными вентиляторами для обеспечения интенсивного движения охлажденного защитного газа. По второй системе охлажденный в водяных холодильниках защитный газ подается вентиляторами в вертикальные проходы и через щелевые отверстия с большой скоростью обдувает с двух сторон движущуюся полосу. Такое струйное охлаждение резко уменьшает время операции и позволяет сократить длину камеры.

В проходных печах обработке подвергают полосу толщиной 0,2 – 0,3 мм, движущуюся со скоростью 150 – 600 м/мин.

Рис. 147. Камера нагрева (с радиационными трубами) башенной печи

Производительность агрегатов колеблется в пределах 25 – 60 т/ч. В камере нагрева обычно предусмотрено 6 – 12 проходов, вмещающих полосу длиной 100 – 200 м; камера выдержки вмещает полосу длиной 120 – 170 м, камеры медленного охлаждения 100 – 130 м; общая длина полосы составляет 600 – 1200 м.

Основное звено непрерывных линий для горячего цинкования стальной полосы – ванна с расплавленным цинком, через которую непрерывно проходит полоса. Наибольшее распространение получил такой метод обработки, при котором в одной линии совмещены отжиг полосы и нанесение цинкового покрытия. Непрерывные агрегаты применяют также и для электролитического лужения жести. Толщина жести, применяемой в пищевой промышленности, составляет 0,15 – 0,1 мм. Такая тонкая жесть требует в процессе обработки осторожного обращения. Поэтому поддерживающие и направляющие ролики во избежание чрезмерных напряжений и разрывов ленты выполняют в большинстве случаев приводными, причем конструкция роликов и других элементов должна быть такой, чтобы исключить повреждения поверхности ленты. Все это удорожает и усложняет производство.

Проводят работы по применению для транспортировки ленты газовой подушки (рис. 148). Подушка образуется при пропускании определенного количества газа между лентой и поддерживающей поверхностью. В результате резкого уменьшения трения и исключения роликов затраты энергии значительно уменьшаются, а качество поверхности ленты улучшается. Возможен и такой метод, когда в качестве поддерживающей ленту среды используются горячие продукты сгорания топлива. В этом случае можно обеспечить транспортировку ленты на газовой подушке и ее нагрев. Подобный метод является весьма перспективным при обработке тонкой ленты.

Рис. 148. Газовая подушка для транспортирования и нагрева ленты: 1 – лента; 2 – поддерживающая поверхность