книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

ков мягкой стали холодного посада в рекуперативных колодцах или заготовок из углеродистой и легирован­ ной сталей толщиной до 200 мм от 20° С (например, в методических печах). В период предварительного на­ грева изделия нагреваются с малой скоростью до 500° С для того, чтобы исключить возникновение чрезмерных термических напряжений, приводящих к возникновению трещин и рванин внутри металла. По достижении этой температуры начинается второй период — интенсивный нагрев, в течение которого поверхность металла нагре­ вается до заданной температуры, а перепад между по­ верхностью и серединой заготовки принимает значение технологически допустимой величины.

Вторая разновидность двухступенчатого режима на­ блюдается, когда металл загружается в печь уже пред­ варительно нагретым до температуры выше 500° С. Это бывает, например, в нагревательных колодцах при на­ греве слитков горячего посада или в двухзонных мето­ дических печах при подогреве еще не остывших слябов перед листопрокатными станами. Этот же режим приме­ няют при нагреве пакетов листов, рулонов в колпаковых печах, а также труб, поскольку вследствие незначитель­ ной толщины изделий температурные напряжения не представляют опасности.

Для выравнивания температуры по всей массе сад­ ки необходим период выдержки. По этому же режиму можно нагревать в нагревательных колодцах холодные

Применяют его при нагреве крупных заготовок (200— 400 мм) в методических печах, при нагреве высокоугле­ родистых и легированных сталей в нагревательных ко­ лодцах при холодном посаде, а также при нагреве заго­ товок в печах скоростного нагрева.

М н о г о с т у п е н ч а т ы й режим состоит из несколь­ ких периодов нагрева, выдержки и охлаждения; его ис­ пользуют главным образом при термической обработке металла.

Наличие многих периодов связано с тем, что в про­ цессе нагрева и охлаждения металл проходит через не­ сколько критических температурных точек, при которых начинают протекать те или иные фазовые превращения.

Время нагрева металла зависит от многих факторов, таких, как температура печи, температура металла в на­ чале и конце нагрева, характеристики излучения про­ дуктов сгорания топлива и кладки печи, размер и фор­ ма рабочего пространства печи, теплопроводность и теп­ лоемкость металла, толщина и химический состав на­ греваемого металла, расположение заготовок в печи. В силу этого определение времени нагрева металла яв­ ляется довольно сложной задачей и здесь не рассмат­ ривается. Необходимо отметить только, что при расчете нагрева, как правило, известна начальная и конечная температуры, задается перепад температур по сечению в конце нагрева, форма и размеры, а также химический состав стали.

По специальным таблицам для стали заданной мар­ ки находят коэффициенты теплопроводности и теплоем­ кости.

7. Нагрев при термической обработке

Как было сказано, под термической обработкой понимают спо­ собы придания металлу вполне определенных механических свойств, что достигается в результате нагрева изделий по заданному режи­ му нагрева — индивидуально для стали каждой марки и каждому виду термической обработки. В процессе нагрева изменяется внут­ ренняя микроструктура металла, а следовательно, и его механические свойства. К процессам термической обработки относятся закалка, отпуск, отжиг, нормализация. Сюда же можно отнести и термохими­ ческую обработку.

Не останавливаясь на рассмотрении тех превращений, которые возникают в процессе термической обработки, отметим основные осо­ бенности нагрева перед ней, отличающиеся от нагрева перед горячей механической обработкой;

1)более низкая температура нагрева;

2)наличие ярко выраженного периода выдержки;

3)наличие периода охлаждения, который играет очень важную роль в формировании структуры и свойств металла.

Как правило, при термической обработке указывают;

д) способы охлаждения изделия (охлаждающая среда и конеч­ ная температура охлаждения).

На практике используют охлаждение на воздухе, в воде, в масле, с печью.

Нагреву стали в печах сопутствуют такие нежела­ тельные и даже вредные процессы, как окисление и обез­ углероживание ее. Кратко рассмотрим эти процессы

иметоды их устранения.

Впродуктах сгорания топлива всегда присутствуют такие окислительные газы, как кислород 0 2, двуокись

углерода С 02, сернистый ангидрид SÖ2, а также пары воды Н20. При высоких температурах эти газы взаимо­ действуют в первую очередь с железом и легирующими элементами поверхностного слоя нагреваемой заготов­ ки, следствием чего является образование окалины на поверхности заготовок. Окалина состоит из смеси окис­ лов железа FeO, Fe20 3 , Fe30 4 и окислов легирующих элементов. Окисление стали приводит к угару металла, который в некоторых случаях достигает 2—3% от перво­ начальной массы заготовок. Образовавшаяся окалина может отслаиваться от поверхности и, попадая на поди­ ну печи, вызывать преждевременный износ футеровки. Кроме того, накопившуюся окалину необходимо перио­ дически удалять с пода печи, а это довольно сложная и трудоемкая операция. Для удаления неотслоившейся окалины в прокатных цехах приходится устанавливать специальные черновые клети — окалиноломатели, гидросбивы, а иногда и прибегать к другим способам удаления ее. Все это усложняет технологический процесс и удоро­ жает стоимость готовой продукции.

Наибольшей окислительной способностью обладает 0 2, затем С02 и Н20. Присутствие небольшого количест­ ва S02 резко ускоряет процесс окисления, так как обра­ зующиеся на поверхности соединения из окислов и суль­ фидов характеризуются пониженной температурой плав­ ления и ускоряют окисление.

На величину угара металла влияют многие факторы, такие как температура, скорость и время нагрева, хими­ ческий состав стали, шероховатость поверхности, состав газов печной атмосферы. При одном и том же времени нагрева образуется тем больше окалины, чем выше тем­ пература нагрева. При постоянной температуре нагрева, чем больше скорость нагрева, тем меньше образуется окалины, так как сокращается время нагрева.

При нагреве малоуглеродистой стали при прочих рав­ ных условиях (температуре и времени нагрева) обра-

зуется больше окалины, чем при нагреве стали с боль­ шим содержанием углерода. Наличие в легированных сталях таких примесей, как Cr, Ni, Si и т. д., способству­ ет меньшему окалинообразованию, так как в процессе окисления возникает плотная пленка окалины, хорошо прилегающая к поверхности изделия и препятствующая дальнейшему окислению. Легирующие примеси специ­ ально вводят в металл для получения так называемых жаростойких сталей, предназначенных для работы в зо­ нах с высокой температурой.

Процесс обезуглероживания, так же как и окисления, протекает в тонком поверхностном слое нагреваемых из­ делий при химическом взаимодействии печных газов с углеродом стали, в результате чего концентрация угле­ рода в поверхностном слое стали уменьшается. Глубина обезуглероженного слоя может достигать при неблаго­ приятных условиях 2 мм. Обезуглероживание поверх­ ностного слоя приводит к ухудшению механических свойств стали, к потерям металла, так как в большинстве случаев необходимо механическим путем удалять обезуглероженный слой металла.

Обезуглероживающей способностью обладают такие газы печной атмосферы, как Н20, С02, 0 2, Н2, причем обезуглероживающая способность ослабевает от Н20 к Н2. Химизм процесса обезуглероживания сложен, но можно представить его следующими конечными реак­ циями:

Как видно из реакций, чем больше концентрация реа­ гирующих компонентов в левых частях уравнений, тем интенсивнее они должны протекать. Поэтому чем больше в стали содержится углерода (а он химически связан с железом в форме карбида железа Fe3C), тем больше сталь подвергается обезуглероживанию. С увеличением температуры этот процесс также интенсифицируется и глубина поверхностного обезуглероженного слоя возра­ стает.

Легирующие элементы также влияют на процесс обезуглероживания, причем А1, Со, W способствуют обезуглероживанию, а Сг и Мп, наоборот, замедляет этот процесс.

Необходимо отметить, что при нагреве стали процес­

сы окисления и обезуглероживания идут вместе, взаим­ но влияя друг на друга. Поскольку скорость протекания их при одной и той же температуре различна, то оказы­ вается, что при низких температурах (700—1000° С) обезуглероживание идет быстрее, чем окисление, а при температурах выше 1100° С наоборот, окисление проте­ кает интенсивнее, и образовавшаяся пленка окислов как бы препятствует обезуглероживанию. Доказательством этого может служить то, что после удаления окалины обезуглерожепный слой либо очень тонок, либо вообще отсутствует.

Таким образом, окисление и обезуглероживание — это вредные процессы и, естественно, необходимо всяче­ ски препятствовать их интенсивному протеканию. К чис­ лу мероприятий, ограничивающих или вообще пре­ пятствующих протеканию процессов окисления и обезуглероживания, можно отнести:

1) нагрев в защитной атмосфере. В этом случае либо изолируют металл от нагревающей среды специальным муфелем (муфелирование металла), либо сжигают топ­ ливо в специальных герметически плотных радиантных трубах (муфелирование пламени);

2) нагрев в печах безокислительного нагрева, в кото­ рых безокислительная печная атмосфера получается в результате сжигания топлива с недостатком воздуха (с коэффициентом избытка воздуха а=0,5-4-0,6). В этом случае муфелирование металла или пламени не приме­ няют; окисление и обезуглероживание резко замедляется вследствие небольшой концентрации окисляющих и обезуглероживающих газов в продуктах сгорания топ­ лива;

3)правильный выбор рационального режима нагрева стали, уменьшающий время пребывания металла в печи;

4)применение более современных способов нагрева (там, где это возможно), например, нагрев в электроли­

те, жидких теплоносителях или индукционный нагрев; 5) применение скоростного нагрева металла.

9.Скоростной нагрев металла

Внастоящее время в практику нагрева все больше

ибольше внедряют методы скоростного нагрева металла в печи. Скоростной нагрев имеет ряд преимуществ перед нагревом других видов: сокращение времени процесса

и, следовательно, увеличение производительности печей; уменьшение окисления и обезуглероживания стали; по­ вышение точности, равномерности нагрева. При скорост­ ном нагреве улучшаются структура и свойства стали. Печи скоростного нагрева занимают меньше производ­ ственной площади в расчете на единицу нагреваемого металла.

Как следует из самого названия процесса, скоростной нагрев обеспечивается увеличением скорости нагрева за­ готовок.

Для получения максимально возможной скорости на­ грева необходимо как можно быстрее повысить темпера­ туру его поверхности до заданной величины. Это дости­ гается поддержанием температуры печи на максимально возможном уровне, вследствие чего подвод тепла к по­ верхности тела будет проходить наиболее интенсивно вследствие большой разности температур греющей сре­ ды и поверхности металла. Практически этот способ при­ меняют без ограничений при нагреве теплотехнически тонких тел, в которых подведенное к поверхности тепло быстро распространяется в толщу металла, в результате чего не создается большого перепада температур по се­ чению заготовки и, следовательно, исключено возникно­ вение термических напряжений.

При нагреве массивных тел тепло от поверхности внутрь металла передается менее интенсивно, чем для теплотехнически тонких тел; поэтому в результате почти мгновенного повышения температуры поверхности до за­ данной возникает значительная разность температур между поверхностью и серединой заготовки, и, как след­ ствие, чрезвычайно большие термические напряжения. В этих случаях мгновенный нагрев поверхности до за­ данной температуры во избежание недопустимых напря­ жений возможен после прогрева металла до 500° С.

Из печей скоростного нагрева наиболее широкое рас­ пространение получили так называемые секционные пе­ чи непрерывного скоростного нагрева.

10. Затвердевание и охлаждение жидкого металла

С точки зрения теплотехники вопросы охлаждения и затверде­ вания слитков представляют собой очень сложную задачу и пока достаточно полно не изучены. Обусловлено это тем, что в этом слу­ чае решению задачи препятствуют такие факторы, как нестационар­

назначено для получения рабочей энергии из энергии другого вида или для изменения параметров энергии без изменения ее вида. Назначением технологического оборудования является использование с максимально возможным коэффициентом полезного действия (к. п.д.) рабочей энергии для осуществления какого-либо техно­ логического процесса. К вспомогательному относится такое оборудование, работа которого не связана в явном виде с получением, преобразованием или использовани­ ем энергии.

Металлургические печи относят к технологическо­ му оборудованию. Рабочей энергией для печей служит тепло. Основным назначением печей как технологическо­ го оборудования является создание таких тепловых усло­ вий, которые бы обеспечивали наиболее благоприятное протекание технологического процесса в рабочем прост­ ранстве печей.

По наиболее общему определению печь — это техно­ логическое оборудование, в котором рабочей энергией является тепло и рабочее пространство которого ограж­ дено от окружающей среды.

При работе печей всех типов можно выделить с теп­ лотехнической точки зрения два основных процесса: генерацию (получение) тепла и перенос тепла от источ­ ника к нагреваемому телу (теплообмен). Для одних пе­ чей главным является процесс генерации, для других — процесс переноса тепла. Исходя из этого, печи можно разделить на три большие группы:

1)печи-теплогенераторы;

2)печи-теплообменники; -

3)печи смешанного типа.

Кпечам-теплогенераторам относят все печи, в кото­

рых выделение тепла происходит в самом материале, подвергаемом тепловой обработке. В них отсутствует процесс переноса тепла из какой-то другой зоны печи к нагреваемому материалу, поскольку тепло выделяется внутри самого материала, и поэтому основным тепловым процессом для них является генерация тепла. Примером печей-теплогенераторов могут служить конвертеры для получения стали из чугуна, индукционные нагреватель­ ные и плавильные печи, конвертеры для переработки медных, медно-никелевых и никелевых штейнов и полу­ чения черновой меди, печи кипящего слоя для обжига сульфидов цветных металлов и др.

В печах-теплообменниках тепло выделяется вне обра­ батываемого материала и передается к нему, благодаря протеканию таких процессов передачи тепла, как конвек­ ция, излучение и теплопроводность (последний встреча­ ется редко). В этих печах основным является процесс теплообмена, поскольку протекание технологического процесса в целом в печах невозможно при отсутствии тепла.

Кэтой группе относятся большое число печей для плавления металлов и сплавов, печей для нагрева изде­ лий под прокатку, ковку, штамповку, т. е. под операции пластической деформации, а также печи для нагрева под термическую обработку (отжиг, отпуск, нормализация, закалка) и др.

Ксмешанному типу принадлежат такие печи, в кото­ рых процессы генерации и переноса тепла имеют одина­

ково важное значение. Примером таких печей служит сов­ ременная мартеновская печь, работающая с продувкой ванны кислородом. Наряду с переносом тепла к ванне от факела, который в данном случае является источни­ ком тепловой энергии, внутри самой жидкой ванны про­ исходит выделение тепла при выгорании таких энергети­ ческих примесей, как углерод, кремний, марганец, а так­ же при сгорании части железа, что является, конечно, весьма большим недостатком мартеновских печей, рабо­ тающих с продувкой ванны технически чистым кисло­ родом.

Как было отмечено, рабочей энергией для печей слу­ жит тепло. С точки зрения теплотехники не имеет ника­ кого значения вид источника получения тепла. Оно может быть получено вследствие сжигания газообразно­ го, жидкого и твердого топлива (топливные печи); в теп­ ло может быть превращена электрическая энергия (электрические печи — дуговые, плазменные, индукцион­ ные, электроннолучевые, печи сопротивления, установки диэлектрического нагрева и др.). В тепло может быть превращена энергия солнечного излучения (солнечные печи).

На практике встречается классификация печей и по другим признакам.

По технологическому назначению металлургические печи делят на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи предназначены для получения ме­ таллов и сплавов заданных свойств из руд, а также для

переплавки металлов и сплавов с целью изменения их свойств. Эти процессы всегда сопровождаются изменени­ ем агрегатного состояния, т. е. переходом материала из твердого состояния в жидкое.

Плавильные печи в свою очередь подразделяют на чугуно-плавильные, сталеплавильные, печи для плавки цветных тяжелых и легких металлов и т. д.

В нагревательных печах обрабатываемый материал не изменяет своего агрегатного состояния. Нагреватель­ ные печи применяют для нагрева материалов с целью обжига (известняка, магнезита, огнеупорных материа­ лов, сульфидов цветных металлов и т. д.), сушки (литей­ ных форм, песка, руд, концентратов и т. д.). Большая группа нагревательных печей служит для нагрева ме­ талла с целью придания ему пластических свойств пе­ ред прокаткой, ковкой, штамповкой, прошивкой. Нагре­ вательные печи применяют также для нагрева металла с целью изменения внутренней металлографической структуры его и, следовательно, свойств (термическая обработка), а также для нагрева под термохимическую обработку.

Печи, предназначенные для проведения в них опре­ деленных технологических операций, можно классифици­ ровать дополнительно по конструктивным признакам. Например, нагревательные печи для нагрева перед про­ каткой подразделяют на нагревательные колодцы, мето­ дические печи, камерные нагревательные печи, печи с вращающимся подом, секционные печи скоростного на­ грева и т. д.

Топливные печи подразделяют по виду применяемого топлива. Например, сталеплавильные мартеновские печи могут быть газовыми (топливо — природный газ), ма­ зутными (топливо — мазут) или газо-мазутными (топли­ во— природный газ плюс мазут).

Электрические печи классифицируют по способу пре­ вращения электрической энергии в тепловую на дуго­ вые печи, печи сопротивления, индукционные печи и другие.

По способу утилизации тепла отходящих дымовых газов печи подразделяют на регенеративные (мартенов­ ские печи, регенеративные нагревательные колодцы) и рекуперативные (рекуперативные нагревательные колод­ цы и др.).