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):

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.

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

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

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).