6.5 Протяжные печи

Протяжные печи предназначены для термической и термохимической обработки полосы, которую непрерывно протягивают через агрегат. Благодаря непрерывности работы и обработке развернутой полосы эти печи удобно встраивать в общий непрерывный поток рулонного производства листового металла, а качество продукции, обработанной в них, более однородно, чем качество продукции, обработанной в рулонах.

Для протяжных печей характерен обычный для непрерывных печей тепловой и температурный режим — постоянный во времени и переменный по длине печи. Источники тепла (в камерах нагрева) или устройства для охлаждения (в камерах охлаждения) должны быть распределены по пути движения полосы.

В протяжных печах проводят как темную (окислительную), так и светлую обработку в атмосфере контролируемого состава. Печи для темной обработки – обычно сравнительно небольшие агрегаты с непосредственным отоплением, которые по конструкции, технологии и основным параметрам подобны печам с роликовым подом. Различие печей этих двух типов состоит только в устройствах для транспортирования нагреваемых изделий.

Режим обработки в протяжных печах для термической и термохимической обработки холоднокатаной полосы в атмосфере контролируемого состава является многостадийным, включающим нагрев, выдержку и охлаждение с различными скоростями в соответствии с технологическим режимом. Полосу в печи охлаждают до температуры 120-250 °С, при которой она может быть выдана на воздух (или в воду) без опасности окисления. В этих печах поверхность ленты – светлая, а ее температура в последней части участка охлаждения ниже 500 °С. При данных условиях интенсивность теплообмена излучением мала, поэтому на участках низкотемпературного охлаждения целесообразно всемерно развивать теплообмен конвекцией. В обогреваемых камерах применяют радиационные трубы или электрические нагреватели сопротивления.

В зависимости от направления протягивания полосы протяжные печи бывают горизонтального и вертикального типов. Горизонтальные печи по условиям транспортирования полосы нельзя делать длиной более 150-200 м . Такие печи пригодны при сравнительно небольшом объеме производства. При большем объеме производства используют вертикальные (башенные) печи, в которых полосу протягивают по нескольким вертикальным ходам. Диаметр направляющих роликов вертикальных печей ограничен конструктивными возможностями, поэтому многоходовые вертикальные печи применяют обычно для обработки полосы толщиной до 1 мм. Общая длительность цикла обработки в протяжных печах не должна превышать 5-10 мин, так как в противном случае необходима чрезмерно большая длина полосы, что весьма затрудняет ее транспортирование. Основную часть длительности цикла составляет длительность выдержки и охлаждения. Поэтому протяжные печи не применяют в тех случаях, когда необходимы длительная выдержка или очень медленное охлаждение.

7 Колпаковые печи

7.1 Основные характеристики

Колпаковые печи предназначены для таких видов термической обработки стали, при которых необходимы продолжительные выдержки металла при заданных температурах. Цикл термической обработки включает в себя обычно нагрев до температуры 700-800 °С, длительную выдержку при этой температуре и охлаждение в защитной атмосфере до 100-120 °С и часто длится 2,5-3 сут. Колпаковые печи относятся к садочным печам, поэтому ни по производительности, ни по характеру работы они не удовлетворяют требованиям современного поточного производства. Однако, эти печи получили широкое распространение, поскольку являются весьма универсальными (по виду отжигаемого металла) и, благодаря возможности длительных выдержек, обеспечивают такой отжиг, после которого металл хорошо штампуется.

Таким образом, колпаковые печи применяют для светлой термической обработки плотно смотанных, а иногда распушенные рулонов холоднокатаной стальной ленты различной толщины, а также для термической обработки среднего и толстого горячекатаного листа, сортового проката и мотков проволоки. Электрические печи используют в основном для высокотемпературной термической обработки электротехнических и некоторых специальных сталей.

Между листами в пакетах и между витками полосы в рулонах всегда присутствует газовая прослойка, которая приводит к тому, что такой металл греется как анизотропное тело с большой разницей в величине коэффициента теплопроводности по металлу и в радиальном направлении в рулонах. Обычно пачки листов и плотно смотанные рулоны подвергаются терми­ческой обработке, распушенные рулоны - термической обработке с целью придания поверхности металла определенных свойств.

Являясь печами садочного типа, колпаковые печи теряют много тепла на периодический нагрев кладки наружного (греющего) колпака. Обычно температурный уровень работы колпаковых печей таков ~800-900 °С. Кладку наружного колпака выполняют из шамота легковеса. Аккумуляция тепла кладкой печей садочного типа зависит от температуры нагрева кладки, ее массы и теплоемкости. Если объем кладки садочной печи зависит от ее конструкции, то масса кладки зависит как от объема кладки, так и от ее плотности, которая также, как и теплоемкость, в свою очередь зависит от характера применяемого материала. Исходя из этого стараются применять материалы с пониженной плотностью, к которым и относится шамот легковес, имеющий плотность около 800 кг/м³. В последнее время все более широко в печестроении используются волокнистые огнеупорные материалы (чаще алюмосиликатные), имеющие плотность около 400 кг/м³. Если учесть, что и теплоемкость и теплопроводность у волокнистых материалов ниже, чем у шамота легковеса [соответственно 0,63 и 0,96 кДж/(кг*К); 0,152 и 0,335 Вт/(м*К)], то станут очевидными преимущества волокнистых материалов как футеровок колпаковых печей.

Отмеченная выше анизотропность нагреваемого в колпаковых печах металла является причиной возможной неравномерности нагрева рулонов или пачек листов. Так как целью технологических операций является термическая обработка, то существенную неравномерность температуры допустить нельзя, потому что это повлечет за собой неравномерность свойств. Поскольку каждая часть рулона должна быть нагрета до определенной температуры и выдержана при этой температуре вполне определенное время, постольку общая продолжительность нагрева и выдержки увеличивается. Обеспечение необходимой равномерности нагрева по высоте и ширине садки является для колпаковых печей важнейшим требованием технологии термообработки. Учитывая характер размещения рулонов, обеспечить необходимую равномерность нагрева бывает очень трудно. Рулоны, собранные в стопу, обращены к внутреннему муфелю своей внешней поверхностью, имеющей весьма значительную величину. Однако для прогрева рулонов в радиальном направлении необходимо чрезвычайно большое время, поскольку коэффициент теплопроводности в радиальном направлении _жв значительно ниже, чем в аксиальном _акс.

Величина _экв зависит в основном от трех факторов: марки (состава) стали, толщины ленты и плотности рулона при условии переменности состава межвитковой газовой прослойки, связанной с использованием противосварочного покрытия. Теплопроводность в радиальном направлении обычно определяется экспериментально.

Из-за того, что рулоны в радиальном направлении греются значительно хуже, чем в осевом, то для обеспечения необходимой скорости и равномерности нагрева следует обеспечить подвод тепла к торцу рулонов или пачек листов, что может быть достигнуто лишь при интенсивной циркуляции защитной атмосферы и оптимальной конструкции используемых конвекторных колец, размещаемых между рулонами. Для осуществления необходимой циркуляции используют специальные вентиляторы, а также внутренние металлические муфели, под которые подается защитная атмосфера.

Рис. 7.1 - Конструкции конвекторных колец: а - сварное двухстороннее кольцо со спиральными ребрами; б- сварное одностороннее кольцо со спиральными ребрами; в - двухстороннее кольцо с радиальными I или радиально наклонными II ребрами

Puc. 7.2. - Схемы направляющих аппаратов: a - литой с четырехлопастным рабочим колесом; б - с остроконечными лопатками

Конвекторные кольца должны обеспечить равномерное омывание торцов рулонов стали циркулирующей защитной атмосферой и эффективную теплоотдачу от газа к торцам рулонов и иметь при этом малое гидравлическое сопротивление и быть просты в изготовлении и эксплуатации. Величина опорной поверхности колец должна быть достаточной, чтобы исключить смятие кромок ленты на торцах рулонов. Размещаемые между рулонами конвекторные кольца имеют небольшую высоту (80-120 мм, иногда немного больше), поэтому толщина газового слоя такова, что передача тепла осуществляется конвекцией при соприкосновении атмосферы с кромками ленты.

Чем интенсивнее движение защитной атмосферы около кромок ленты, тем больше тепла передается рулонам в осевом направлении. А, как следует из соотношения коэффициентов теплопроводности в радиальном и осевом направлениях, именно теплопроводность в осевом направлении и определяет и скорость и равномерность прогрева рулонов.

Самый нижний рулон опирается на так называемый направляющий аппарат (рис. 7. 2), внутри которого располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается рабочим колесом вертикально сверху вниз и распределяется по периферии направляющего аппарата, назначение которого, кроме того, равномерно распределить циркулирующую атмосферу по периметру внутреннего муфеля.