Способ отжига металла в рулонах

 

Сущность изобретения: нагрев металла осуществляется за счет объемного генерирования тепла, получаемом в результате аэродинамических потерь в рабочем центробежном роторе и циркуляционном тракте при движении защитного газа со скоростями до 50 м/с и температурой до700 - 710^oС, а охлаждение - при вращении ротора в противоположную сторону.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к листопрокатному производству, и совершенствует процесс термообработки холоднокатаной стали.

Известен способ отжига металла в рулонах в защитном газе колпаковой печи, характеризующийся тем, что нагрев металла происходит при сжигании топлива в горелках колпака. При этом способе отжига стопу накрывают муфелем и нагревательным колпаком. Тепло от дымовых газов, образующихся при сжигании топлива в горелках колпака, передается муфелю, от муфеля часть тепла излучением передается на боковую поверхность рулонов и на торец верхнего рулона, а основная часть тепла передается металлу конвекцией от защитного газа, циркулирующего в подмуфельном пространстве.

Недостатками способа являются сравнительно невысокая интенсивность теплообмена из-за небольших скоростей (до 15 м/с) движения теплоносителя, неравномерность нагрева металла по высоте и сечению стопы, значительное отставание по нагреву нижнего рулона (на ≈ 15-20^оС), что приводит к необходимости увеличения времени выдержки, перегреву верхнего рулона, снижению производительности печи и снижению качества металла. Регулирование теплопроизводительности печи, а также скорости нагрева металла затруднительно, а в ряде случаев невозможно из-за инерционности процессов теплообмена, вызванных большой разностью температур между газом и металлом. Именно поэтому, после достижения наружными витками температуры 1-й выдержки ( ≈ 450^оС), температура газов при этом 700^оС, несмотря на снижение производительности горелок (имеет свод ограничения), происходит перегрев наружных витков металла. Снижение же температуры газов привело бы к снижению производительности печи. Кроме того, использование коксодоменного газа приводит к усложнению конструкции печи (наличие горелок, газопроводов и т.п.), снижению надежности работы печи (засорение горелок нафталиновыми соединениям), усложнению обслуживания. Данный способ отжига металла экологически грязный, так как связан с выбросом продуктов сгорания в атмосферу, в частности, окислов азота).

Известен способ отжига металла в рулонах в защитном газе колпаковой печи, в котором применяют термообработку ленты в распушенном состоянии. С целью получения возможности циркуляции газа между витками рулон перематывают так, чтобы между витками были зазоры, соизмеримые с толщиной ленты.

Недостатками применения данного способа отжига являются необходимость двукратной перемотки перед отжигом и после него, увеличение габаритов печи на единицу площади цеха (распушенные рулоны устанавливают по одному), а также не устраняются недостатки, отмеченные при критике аналога и связанные с использованием горелок.

Наиболее близким к предлагаемому является способ отжига металла в рулонах в защитном газе электрической колпаковой печи косвенного нагрева, который предусматривает установку нагревателей из сплавов сопротивления (на основе никеля, хрома и др. ) на внутренней поверхности колпака вместо горелок, применяемых в топливных колпаках. При этом способе нагрева тепло от нагревателей излучением передается муфелю, процесс же нагрева металла ничем не отличается от приведенного выше. Недостатки данного способа отжига те же, за исключением недостатков, связанных с применением горелок. Однако возникают сложности, связанные со стойкостью нагревателей и огнеупорной кладки колпака, повышенным расходом электрической энергии (на нагреватели и на работу вентилятора). Вследствие этого электрические печи применяются реже топливных. Интенсивность теплообмена из-за невысокой скорости (до 15 м/с) движения теплоносителя остается слабой. Сохраняется неравномерность нагрева металла по высоте стопы, отставание по нагреву нижнего рулона (на ≈ 15-20^оС), приводящее в конечном итоге к ухудшению качества металла верхнего рулона и снижению производительности печи, возможность регулирования режимом выше, чем в аналогах, но не недостаточна из-за большой разности температур между муфелем и защитным газом и инерционности процессов теплообмена.

Предложенный способ отжига металла в рулонах в защитном газе колпаковой печи отличается тем, что нагрев металла осуществляется за счет объемного генерирования тепла, получаемого в результате аэродинамических потерь в рабочем центробежном роторе и циркуляционном тракте, образованном внутренней полостью рулонов и кольцевым каналом между стопой рулонов и футерованным муфелем, при движении защитного газа со скоростями до 50 м/с и температурой до 700-710^оС, а охлаждение при вращении ротора в противоположную сторону. При этом колпак отсутствует. При прочих равных условиях роторный нагрев превосходит по интенсивности лучисто-конвективный в ≈ 2 раза, что объясняется природой теплового эффекта аэродинамического нагрева, при котором тепловая энергия выделяется в рабочем колесе, а газовый поток выходит из него с максимальной температурой, в то время как в известном способе газ получает тепло от поверхности муфеля (процесс теплопередачи более инерционный и менее интенсивный). Процесс охлаждения рулонов (при вращении ротора в обратную сторону) также происходит интенсивнее, чем при обычных способах. Циркуляция теплоносителя с высокими скоростями (до 50 мс) еще более интенсифицирует теплопередачу. Скорость же охлаждения (нагрева) металла легко регулируется с помощью регулировочного дросселя.

Предложенный способ отжига металла обеспечивает высокую равномерность нагрева во всем объеме печи (предельная разница температур не превышает ≈ 3-4^оС), при отсутствии факелов и излучателей. Высокая равномерность нагрева металла обеспечивает ускорение его нагрева и повышение производительности печи и ее экономичности, так как при обычном способе нагрева большая часть времени и энергии тратится на выравнивание температуры верхнего и нижнего рулонов садки. Известные печи также оборудуются вентиляторами для принудительной циркуляции газов, но в них аэродинамический эффект не реализуется. Предложенный способ позволяет значительно упростить изготовление печи и ее обслуживание: вместо нагревательного колпака с горелками или электронагревателями и муфеля стопу металла достаточно накрыть футерованным снаружи теплоизоляционными материалами муфелем, отсутствует система газопроводов, отпадает необходимость в контроле сжигания топлива, обслуживании горелок (в том числе и борьбе с забиванием их нафталиновыми отложениями коксового газа, приводящим к выходу горелок из строя). Упрощается обслуживание и в связи с отсутствием колпака, использование которого на 3 колпаковые печи при известных способах предполагает четкую синхронность и согласованность в работе.

Предложенный способ гарантирует абсолютную взрывобезопасность работы печи, экологическую чистоту, улучшение условий труда и повышенную надежность и долговечность работы, так как надежность печи зависит в основном от качества изготовления и монтажа ротора, изготовление которого доступно в условиях любого машиностроительного участка.

Способ осуществляется следующим образом.

На стенде формируют стопу из трех рулонов, между которыми устанавливают конвекторные кольца, накрывают ее футерованным теплоизоляционными материалами муфелем. Защитный газ, находящийся в подмуфельном пространстве, всасывается ротором центробежного вентилятора из внутренней полости стопы рулонов. Подавляющая часть подводимой к ротору энергии расходуется на преодоление потерь в проточной части рабочего колеса, что приводит к повышению температуры защитного газа, поступающего в дальнейшем в кольцевой зазор между муфелем и стопой рулонов. Ротор служит одновременно нагнетателем и генератором тепла.

Стопу нагревают до температуры 1-й выдержки, например 550^оС для стали марки 10СП, при максимальной теплопроизводительности печи, и затем с помощью регулировочного дросселя устанавливают необходимый режим. После окончания времени выдержки осуществляют нагрев до 2-й выдержки (температура ≈ 680-710^оС), после чего опять снижают тепловую мощность. Особенность роторного нагрева близость значений температур печи и металла и высокая однородность температурного поля в рабочей камере гарантируют выполнение любых требований по скорости и по точности нагрева. Достаточно лишь задать с помощью системы автоматического регулирования нужное значение температуры печи. Следует отметить, что в этих условиях значительно повышается и стойкость муфеля, работающего при значительно меньших температурах, чем при обычных способах.

В период охлаждения измеряют направление вращения ротора, который работает только как обычный вентилятор. Благодаря повышенной скорости ( ≈ 50 м/с) движения защитного газа обеспечивается значительное сокращение суммарного времени охлаждения.

Таким образом, предлагаемый способ отличается высокой экономичностью, высокой равномерностью нагрева по всему объему садки, возможностью точного регулирования температуры, простотой осуществления, безопасностью в работе, экологической чистотой и улучшением условий труда. Он позволяет сократить время отжига металла в колпаковых печах и увеличить их производительность при высокой надежности и долговечности оборудования.

Формула изобретения

СПОСОБ ОТЖИГА МЕТАЛЛА В РУЛОНАХ, включающий нагрев и охлаждение в атмосфере защитного газа в колпаковой печи, отличающийся тем, что нагрев осуществляют за счет тепла аэродинамических потерь в рабочем центробежном роторе и циркуляционном тракте, образованном внутренней полостью рулонов и кольцевым каналом между стопой рулонов и футерованным муфелем, при скорости движения защитного газа до 50 м/с до 700 - 710^oС, при этом охлаждение металла осуществляют при вращении ротора в противоположную сторону.