Прокатное производство

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.

Перегревом называют случай, когда при нагреве метал­ла происходит рост зерен и они настолько укрупняются, что связь между ними ослабляется и механические свойства ухудшаются (при прокатке на металле образуются трещи­ны и рванины). В ряде случаев свойства перегретой стали можно улучшить, подвергнув ее термической обработке. Сильный перегрев исправить нельзя, так как деформиро­ванные зерна сильно перегретой стали теряют способность к рекристаллизации и при нагреве остаются неизменными.

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/(м2•град):

таблица таблица

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.

График охлаждения слитков

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

Охлаждение слитков, уширенных кверху, за время передвижения состава от конца разливки плавки до подачи ее к колодцам блюминга

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

Продолжительность нагрева слитков массой 7—7,5 т в регенеративных нагревательных колодцах

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).