Материал: Проектирование печи с шагающими балками для нагрева металла перед прокаткой

Соблюдение указанных выше требований необходимо для обеспечения качества, для высоколегированной стали и заготовок, использующихся для важных целей. Однако, такая система нагревания не может применяться для всех марок стали; поэтому, больше внимания следует уделять соблюдению вышеуказанных трех требований, касающихся качества нагревания заготовки.

Температура нагревания металла определяется по температуре поверхности металла после его нагревания в печи. В зависимости от различных характеристик металла, от типа горячей обработки, размера заготовки и т.п. требуется разная температура нагревания. Наиболее приемлемая температура нагревания способна придать металлу наилучшую пластичность и свести к минимуму сопротивление деформированию. В принципе, температуру нагревания углеродистой стали и низколегированной стали можно подобрать используя диаграмму балансного состояния железо - углерод. Если принимать во внимание перегрев, пережог, плавление окалины и т.п., то, обычно, верхний предел температуры нагревания оказывается на 100-150°С ниже теоретической температуры пережога (линия твердой фазы на диаграмме балансного состояния железо - углерод). Для высоколегированной стали определение соотношения между пластичностью и температурой производится по результатам специального испытания, после чего выбирается оптимальная температура нагревания. Необходимо учитывать и влияние размера заготовки. Если заготовка большая, то она труднее поддается обработке и температура на завершающей стадии процесса оказывается низкой. Поэтому, необходимо повысить нижний предел температуры нагревания. Для заготовки меньшего размера температура нагревания может быть несколько ниже.

Под скоростью нагревания понимается скорость увеличения нагревания поверхности металла (°С/ч) или же время, необходимое для нагревания единицы толщины металла (мин/см) до требующейся для технологического процесса температуры. На начальной стадии нагревания необходимо соответствующим образом ограничить скорость нагревания и снизить температурное напряжение. Чем выше скорость нагревания, тем больше разность температур между поверхностью и центром, а, следовательно, и выше температурное напряжение. Такой тип напряжения может превысить предел прочности металла, что приведет к образованию трещины. Для металлов, обладающих хорошей пластичностью, например, для низкоуглеродистой стали и т.п., при температуре металла свыше 500-600°С можно не принимать во внимание влияние температурного напряжения. Для больших заготовок из высокоуглеродистой стали и из легированной стали не приемлема слишком высокая скорость нагревания. На завершающей стадии нагревания необходимо обеспечить сохранение тепла и равномерность его распространения, чтобы уменьшить разность температур внутри и снаружи заготовки, для чего требуется ограничить скорость нагревания. Приемлемым решением для регулирования скорости нагревания является режим, при котором после периода нагревания с более высокой скоростью производится снижение скорости нагревания или же начинается равномерное нагревание с целью обеспечения равномерного нагрева внутри и снаружи. Кроме того, осуществляется ограничение скорости нагревания в определенном диапазоне за счет ограничения температуры в печи. Если температура в печи будет слишком высокой, то это может привести к значительным колебаниям температуры на поверхности металла, а также к появлению дефектов, например, к избыточному окислению, декарбонизации, перегреву и пережогу в период ожидания перед прокаткой.

Система для нагревания металла включает в себя контроль температуры на конечной стадии нагревания, участок для регулирования разности температур, а также возможность регулирования на каждом этапе скорости нагревания, температуры в печи и продолжительности нагревания.

При выборе режима нагревания металла необходимо полностью учитывать следующие факторы: тип печи, производительность печи, характеристики металла, размер и форму заготовок, размещение заготовок внутри печи, требования технологического процесса и т.п.

Продолжительность нагревания металла должна учитывать минимальный период времени, который должен пройти с момента нагревания металла до достижения в печи температуры, обусловленной технологией прокатки. Сложно точно определить продолжительность нагревания, так как это зависит от множества факторов. К факторам, оказывающим воздействие на продолжительность нагревания, относятся следующие:

1.   Свойства металла. Для высокоуглеродистой стали и легированной стали (такой, как кремниевая сталь) с плохой теплопроводностью и пластичностью требуется более продолжительное время нагревания. Для низколегированной стали с хорошей теплопроводностью и пластичностью требуется меньшая продолжительность нагревания.

2.      Размер заготовки. Для заготовки большого сечения требуется более продолжительное время нагревания. Если заготовки имеют одинаковое сечение, но отличаются по длине, то для более длинных заготовок время нагревания будет более продолжительным.

.        При различных типах нагревания заготовок будет отличаться и продолжительность нагревания. Чем больше расстояние между заготовками, тем меньше продолжительность нагревания.

.        Продолжительность нагревания можно сократить, если производить загрузку горячих заготовок.

.        Температура в печи. Температура в печи является основным фактором, определяющим продолжительность нагревания. Существует тесная зависимость между передаваемым заготовке теплом и разностью температур в заготовках. Чем больше разность температур, тем больше тепла будет передаваться заготовке, тем выше будет скорость нагревания и короче продолжительность нагревания.

В практическом производстве должна поддерживаться соответствующая взаимосвязь между этапом выгрузки после нагревания и этапом прокатки.

1.   Горячий посад в нагревательную печь - не более 4 часов от начала разливки плавки.

2.      Холодный посад в нагревательную печь - не более 4 часов от начала разливки плавки или 36 часов с момента закрытия плавки колпаками.

.        Холодный посад в подогревательную печь - после 24 часов от начала разливки при охлаждении заготовки в штабеле на воздухе или 36 часов с момента закрытия плавки колпаком.

Подача заготовок в нагревательные печи производится с МНЛЗ - 1,2 или со складов ЭСПЦ. Литые заготовки, нагретые в подогревательной печи, выдаются на загрузочный рольганг для посада в основную печь.

Литые заготовки перед подачей в нагревательную печь взвешиваются на весах, встроенных в загрузочный печной рольганг.

Посад заготовок в печь осуществляется партиями в соответствии с заказом.

Нагрев заготовок перед прокаткой на стане производится в методической нагревательной печи с шагающими балками. В качестве топлива используется природный газ с теплотой сгорания Q=8200 ккал/м ³.

В зависимости от ширины литой заготовки устанавливается различный шаг раскладки заготовок в печи.

Выдача металла осуществляется поштучно в автоматическом или ручном режиме.

Заготовки, выдаваемые из печи на стан, должны быть равномерно прогреты по сечению, не допуская перегрева и пережога металла.

Нагретые и выданные из печи заготовки всех марок сталей отводящим рольгангом подаются к установке гидросбива для устранения с их поверхности окалины водой высокого давления 20 МПа.

После гидросбива заготовка подается посредством переднего раскатного рольганга к клети стана 320 для прокатки.

Заготовки, которые не могут быть заданы в стан из-за дефектов или неполадок на стане. Возвращаются с помощью рольгангов и электромостовых кранов на склад литых заготовок.

В печи имеется три зоны нагрева:

) методическая зона - происходит постепенный нагрев металла, резкое повышение температуры металла может вызвать чрезмерные температурные напряжения, но слишком низкие значения температуры в этой зоне снижают производительность печи, поэтому оптимальной является температура 800-900 ⁰С;

) сварочная зона - нагрев металла до тех пор, пока его поверхность не достигнет нужной температуры (температуру продуктов сгорания принимают на 80-130 ⁰С выше конечной температуры металла;

) томильная зона - при неизменной температуре поверхности происходит выравнивание

температуры по толщине металла (температуру продуктов сгорания принимают на 30-50 ⁰С выше конечной температуры металла).

Учитывая все выше сказанное, строим температурный график нагрева заготовок.

Общее время пребывания в печи складывается из отрезков времени, которые определяются для отдельных участков печи. Расчёт времени нагрева на каждом участке печи выполняется с учётом специфических особенностей этого участка. Большинство распространённых методов расчёта времени нагрева металла выполняется по граничным условиям третьего рода, т.е. когда температура по длине почти неизменна. Поэтому в тех случаях, когда температура в пределах какого-либо участка печи переменна, приходится её усреднять и по средней температуре, считая её постоянной, вести расчёт.

Рис.3 Температурный график нагрева

Расчёт нагрева выполняют с целью определения времени, необходимого для достижения заданной температуры. При нагреве перед прокаткой температура должна обеспечить нормальные условия пластической деформации металла.

Определим ориентировочные размеры печи. При однорядном расположении металла ширина печи

В= l + 2·0.25

В = 12,5 м

В печах с плоскопламенными горелками свод выполняется непрофилирован-ным и по всей длине печи можно принять высоту свода равной Н = 1.0 м

Длина печи будет найдена после расчета времени нагрева металла.

Можно принять, что температура зоны горения по всей длине печи равна действительной температуре горения топлива

tдейств=ηпир·tk =(0,75…0,85) ·tk

В нашем случае

tдейств=tk·0,82= t’ф

tдейств=1,656∙10³ °С

Принимаем, что проектируемая печь имеет три тепловые зоны: методическую, сварочную, томильную; в конце методической зоны температура поверхности металла равна 750 °С, а в конце сварочной 1200 °С.

t_км = 750 °С; t_кс = 1200 °С

.1 Время нагрева металла в методической зоне

Температура газов в зоне теплообмена равна: в начале методической зоны

t^//_фначм=0.5·(t^/_ф+ t_н) t^//_фначм = 838 °С

в конце методической зоны

t^//_фкон=0.5·(t^/_ф+ t_км) t^//_фкон = 1203 °С

Парциальное давление излучающих компонентов продуктов сгорания

Для рассматриваемого случая слой газов в зонах горения и теплообмена можно принять плоскопараллельным бесконечной протяженности.

Толщину зоны горения принимаем равной Н′= 0.1 м

Толщина зоны теплообмена Н" с учетом толщины металла δ равна

Н"= Н - Н′ - h Н"= 0,76 м

Тогда эффективная длина луча

По графикам на рис. 13-15 [1] при температуре t′_ф = 1656 °

Находим степени черноты продуктов сгорания

; ; β=1,09

Находим фактическую степень черноты

Поскольку найденное значение степени черноты очень мало (из-за малой толщины слоя), примем, что

Это означает, что теплообмен зоной горения и поверхностью кладки происходит только за счет конвекции.

Для зоны теплообмена

 кПа·м  кПа·м

По графикам на рис. 13-15 [1] находим: в начале методической зоны при t^//_фначм = 838 °С

; ; β=1,07

в конце методической зоны при t^//_фкон = 1203°С

; ; β=1,07

Плотность теплового потока излучением на кладку в начале методической зоны

,

где СО=5,7 Вт/м²·К⁴

Вт/м²

в конце методической зоны

 Вт/м²

Принимая значение коэффициента конвективной отдачи от факела к кладке равным α_конв= 170 Вт/м²·К

Найдем плотность конвективного теплового потока. Для этого ориентировочно зададимся значением температуры кладки в начале методической зоны