Печи для термической обработки холоднокатаных листов и ленты

Для термической обработки применяют колпаковые садочные печи и протяжные печи постоянного действия. В колпаковых 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 — более прогрессивные агрегаты, соответствующие 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 пока без колпа­ковых печей.

Основным видом термической обработки холодноката­ного металла является низкотемпературный рекристалли-зационный отжиг. Скорость охлаждения ленты в протяж­ных печах по сравнению с колпаковыми очень велика. 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 печам садочного типа, свой­ственна неравномерность нагрева металла. В результате этого у одного и того же металла, отожженного в колпако­вых печах, структура и свойства могут быть различными.

Режим работы протяжных печей теснейшим образом связан с технологией термической обработки. Температура рекристаллизации определяет температуру нагрева метал­лов. Скорость нагрева металла обычно составляет 25 – 100 К/с, чем и определяется время нагрева. Для заверше­ния рекристаллизации необходима выдержка при темпера­туре рекристаллизации, которая должна быть не менее 25 с. Скорость охлаждения ленты следует выбирать такой, чтобы из твердого раствора в феррите успевал полностью выпадать углерод и не образовываться перенасыщенный раствор. При температуре около 500°С содержание углеро­да примерно такое же, как и при 20°С, поэтому регулиру­емое охлаждение надо вести до 480 – 500°С. Время регули­руемого охлаждения не должно быть менее 25 с. Даль­нейшее охлаждение ниже 480 – 500°С можно вести с любой скоростью, но до 120°С ленту следует охлаждать в защитной атмосфере, а ниже 120°С — обдувкой холодным воздухом. Ускорение охлаждения от 500 до 120°С пред­ставляет собой значительный резерв увеличения произво­дительности и удешевления печи.

Колпаковые печи

В колпаковых печах лист отжигают в пакетах, а руло­ны — в стопах (при этом рулоны установлены один на дру­гой). Для ускорения нагрева используют принудительную циркуляцию защитной атмосферы. Между рулонами предусмотрены специальные прокладки, которые позволяют защитной атмосфере циркулировать между рулонами и способствовать тем самым их прогреву в осевом направ­лении.

Применяют многостопные 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 и необходимости увеличения времени выдержки и, следовательно, к снижению производительности.

Более совершенны с этой точки зрения одностопные колпаковые печи, в которых рулоны прогреваются равно­мернее. Однако в экономическом отношении эффективнее многостопные печи. Их целесообразно применять при мас­совом производстве, когда сортамент отжигаемого метал­ла сравнительно неширок. В случае большого разнообразия сортамента отжигаемого металла одностопные печи позволяют более гибко вести производство.

Печи с муфелированием металла. Колпаковая печь для светлого отжига листа представлена на рис. 142. Она 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 в попереч­ном направлении в 30 – 40 раз по сравнению с теплопровод­ностью сплошного металла. У печи два колпака: внутрен­ний — из листового железа и наружный футерованный колпак, на котором и размещены горелки. Внутренний кол­пак — это муфель, которым закрывают стопы, помещенные на неподвижный под (стенд) печи. Внизу внутреннего му­феля устроен песочный затвор, обеспечивающий необходи­мую герметизацию. Под внутренний муфель по специаль­ной трубке подается защитная атмосфера.

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 650 – 750°С (с защитной атмосферой); г) охлаждение садки под внутренним муфелем до 150°С (с защитной атмосферой); охлаждение от 150°С на воздухе и разгрузка стенда.

Выдавать металл на воздух с температурой выше 150°С нельзя во избежание появления на поверхности металла цветов побежалости.

Время нагрева садки до 650 – 750°С приблизительно в три раза меньше суммарного времени охлаждения садки до 150°С, загрузки и разгрузки металла. Поэтому обычно на один наружный колпак приходится три стенда. Когда один стенд находится под наружным колпаком, второй разгружают и нагружают, а на третьем охлаждают металл под внутренним муфелем. Колпак переносят с одного стен­да на другой специальным мостовым краном. Масса на­ружного колпака около 40 т.

При переносе с одного стенда на другой внутренняя по­верхность футеровки колпака остывает до 300 – 350°С. В нижней части наружного колпака с двух сторон по всей его длине расположена серия небольших инжекционных горелок, что обеспечивает торцовой подвод тепла к стопам листов. Перед каждой горелкой установлена карборундо­вая пластина, предохраняющая внутренней муфель от местного перегрева. У наружного колпака также устроен внизу песочный затвор. В качестве топлива можно исполь­зовать любое газообразное топливо, чаще всего употреб­ляют смеси коксового и доменного газов = 5800 – 10000 кДж/м³.

Дымовые газы отдают тепло внутреннему муфелю, а он в свою очередь передает тепло нагреваемому металлу. Удаляют дымовые газы из рабочего пространства при по­мощи эжекторов. Газ и инжектирующий воздух подают че­рез специальные гибкие шланги. Дымовые газы удаляются в дымоотводящне трубопроводы, присоединенные к дымо­вой трубе, оборудованной дымососом.

Масса садки в колпаковых печах составляет 80 – 120 т, удельная производительность достигает 250 – 300 кг/(м²×ч), удельный расход топлива равен 1200 – 1400 кДж/кг.

Колпаковые печи для отжига рулонов ленты чаще все­го одностопные (рис. 143). Показатели работы одностопных колпаковых печей приведены ниже:

В работе колпаковых печей для отжига ленты в руло­нах большое значение имеет циркуляция защитного газа. Если сравнивать работу колпаковой печи в отсутствие цирку­ляции и с циркуляцией, то при циркуляции производитель­ность 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 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 свое тепло торцу рулона, зна­чительно ускоряя его нагрев. Чтобы защитный газ направ­лялся между рулонами, внут­реннюю полость их сверху за­крывают специальной крыш­кой.

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. 144). Эти печи отаплива­ют газообразным топливом с теплотой сгорания не ниже 7500 кДж/м³. Температура нагрева металла 650 – 750°С. Масса садки зависит, от размеров печи и колеблется в пре­делах 20 – 80 т. Удельная производительность печей состав­ляет 150 – 250 кг/(м²×ч) при удельном расходе тепла 1050 – 1400 кДж/кг.

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

Протяжные печи

Выше было отмечено, что отжиг рулонов в колпаковых печах широко распространен. Однако этому методу присущи следующие недостатки: а) цикл отжига длится очень долго — до нескольких дней; б) равномерный нагрев металла не обеспечивается;. в) невозможно полностью меха­низировать и автоматизировать загрузку, транспортирова­ние и уборку рулонов; г) требуются большие производст­венные площади.

Поэтому все шире применяют непрерывные линии с протяжными печами, которые используют для обезуглеро­живающего отжига электротехнической стали, светлого от­жига жести, светлой закалки нержавеющей полосы, цинко­вания тонкого листа и лужения жести. Все шире начина­ют применять протяжные печи для отжига тонкого автомобильного листа.

Протяжные печи могут быть разделены на две большие группы: горизонтальные и вертикальные (башенные). Дли­на ленты в горизонтальных печах допускается не более 200 м, а скорость движения до 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 условиях центри­рования благоприятнее, поэтому длина ленты в таких пе­чах может достигать 1 км, а скорость движения 10 м/с. Такие печи распространены шире, так как при весьма вы­сокой производительности они занимают небольшую производственную площадь. Подобные печи обычно состоят из трех частей: входной, печной и выходной (рис. 145).

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 ленты контроли­руется фотоэлементами. Скорость движения полосы во всех агрегатах задают в зависимости от скорости нагрева и ох­лаждения полосы.

На входном участке происходит сварка рулонов между собой, а также обезжиривание и очистка полосы при помо­щи специальных щелочных ванн; на выходном участке — разрезка полосы после намотки рулона требуемого размера.

Печная секция состоит из четырех камер: нагрева, вы­держки, замедленного и быстрого охлаждения. В камере нагрева металл нагревается до конечной температуры 700 – 730°С. Эту камеру в топливных печах обычно отап­ливают коксовым или природным газом, сжигаемым в радиантных трубах. Светлый отжиг полосы проводят чаще всего в азотной защитной атмосфере (96% N₂ и 4% Н₂). Чтобы дымовые газы не попадали в печь, радиантные тру­бы работают под разрежением. Разность между темпера­турой в печи и конечной температурой металла около 200°С; при этом время нагрева полосы толщиной 0,25 мм составляет 15 – 20 с. Предельная температура печи 1000°С, выше которой возможен перегрев и разрыв полосы. Каме­ра нагрева с радиантными трубами приведена на рис. 146. Камеры выдержки конструктивно весьма схожи с камерой нагрева с той лишь разницей, что в камеру выдержки по­дается такое количество тепла, которого было бы достаточ­но для покрытия тепловых потерь. Кроме радиационных труб, камеры нагрева и выдержки иногда оборудованы электронагревателями.

В камере замедленного охлаждения температура ме­талла падает с 700 – 780 до 480°С в течение 25 с. Камера оборудована воздухоохлаждаемыми трубами и электрона­гревателями. Скорость охлаждения регулируют измене­нием расхода воздуха. Электронагреватели включают при разогревах и остановках печи.

В камере быстрого охлаждения металл охлаждается до заданной температуры. Применяют две системы высокоскоростного охлаждения: первой предусмотрена установка 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.

Непрерывные агрегаты для светлого отжига жести с вертикальными башенными печами распространены до­статочно широко. Обычно обработке подвергают полосу толщиной 0,2 – 0,3 мм, движущуюся со скоростью 150 – 600 м/мин. Производительность агрегатов колеблется в пределах 25 – 60 т/ч. В камере нагрева обычно предусмот­рено 6 – 12 проходов, вмещающих 100–200 м полосы, ка­мера выдержки вмещает 120 – 170 м полосы, камеры медленного охлаждения около 100 – 130 м, общая длина поло­сы составляет 600 – 1200 м.

При отоплении камеры нагрева коксовым газом на 1 т отжигаемой полосы расходуется около 40 м³ газа и 9 кВт×ч электроэнергии. Расход защитной азотной атмос­феры при производительности агрегата 55 т/ч составляет 700 – 900 м³/ч. В печах поддерживают давление 50 – 150 Н/м³. При использовании башенной печи с защитной атмосферой для светлой закалки полосы из нержавеющей стали толщиной от 0,08 до 0,3 мм полосу нагревают до 1100 – 1150°С, температуру в печи поддерживают на 200 – 250°С выше конечной температуры металла. Такие печи работают со скоростью движения полосы 20 – 30 м/мин и обеспечивают производительность до 10 т/ч.

Протяжными печами оборудуются непрерывные линии для горячего цинкования ленты и для электролитического лужения жести.