Для нагрева слитков перед прокаткой в цехе блюминга (слябинга) устанавливают нагревательные колодцы. По сравнению с другими нагревательными устройствами нагревательные колодцы обладают следующими преимуществами: вертикальное расположение слитков при нагреве обеспечивает правильную кристаллизацию еще не остывшей сердцевины; обеспечивается равномерный нагрев всех сторон слитка; загрузка и выгрузка тяжеловесных слитков осуществляются мостовыми кранами, что также удобно производить при вертикальном расположении слитков.
Масса и форма слитков зависят от химического состава стали, мощности оборудования и вида проката. Заготовкой для проката листов являются слябы. При прокатке на слябы слитки имеют большую массу (16— 30 т) и прямоугольную в поперечном сечении форму.
4
Масса слитков из углеродистой стали для прокатки сортовой заготовки (блюма) равна 10—12 т при квадратном поперечном сечении. Масса слитков высоколегированной стали, например инструментальной, быстрорежущей, принимается 500—700 кг. Небольшая масса в указанных случаях определяется в основном низкой теплопроводностью и низкой пластичностью металла. Слитки кипящей стали получают в изложницах, расширяющихся книзу; слитки спокойной стали расширяются кверху. Отношение высоты к стороне слитка составляет 3—3,5.
Планировка отделения нагревательных колодцев современного высокопроизводительного прокатного стана показан на рис. 123. В отделении длиной 200—400 м устанавливается от 10 до 12 групп нагревательных колодцев 1. Группа состоит из двух — четырех колодцев прямоугольной формы в плане. Отделение нагревательных колодцев непосредственно примыкает к пролету обжимного стана.
Нагретые в колодце слитки подаются к прокатному стану слитковозами 2, которые движутся fro кольцевому рельсовому пути. Для подвоза слитков из сталеплавильного цеха предусмотрен железнодорожный путь 3. Разгрузка слитков с железнодорожных платформ, посадка в колодцы, выгрузка нагретых слитков и установка их на слитковоз обеспечивается мостовым краном 4 с клещевым захватом.
На рис. 124 показана схема установки слитков кипящей и спокойной стали в рабочей камере колодца. Для устойчивости во время нагрева слитки спокойной стали устанавливаются наклонно на стенки камеры. После
A ff
Рис. 124. Схема размещения слитков в камерах нагревательных колодцев с отоплением из центра подины
Посадки слитков камера закрывается крышкой и газовая горелка включается на режим нагрева. Открывание и закрывание крышки камеры механизированы. Нагретые до температуры прокатки слитки клещевым» краном грузоподъемностью 30—50 т извлекают по одному из колодцев и передают на слитковозы. Слитковозы, двигаясь по кольцевому пути, транспортируют слитки к приемному рольгангу блюминга или слябинга.
На рис. 125 показана конструкция нагревательного рекуперативного колодца с установкой газовой горелки 1 в центре подины. Рабочее пространство камеры имеет следующие размеры: высота около 3 м, площадь в плане 4,5×5 м2. Слитки в камере устанавливают вдоль стенок на расстоянии 200—400 мм друг от друга. Пламя горелки движется в направлении крышки 2 и, отражаясь от нее, растекается, омывая слитки сверху вниз. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру, проходят по каналам в нижней части боковых стен в керамические рекуператоры, расположенные с обеих сторон каждой камеры. Теплом отходящих газов в керамических рекуператорах нагревают воздух, необходимый для сжига-
Рис. 125. Рекуперативный колодец с центральной горелкой
Ния газа, до 850, а газ — до 350 0C в металлических рекуператорах, установленных после керамических.
Число групп колодцев в отделении и колодцев в группе определяется в зависимости от производительности стана. Два — четыре колодца объединяют в группу с общей площадкой обслуживания. Производительность одного колодца при горячем посаде слитков среднеугле – родистой стали 28 т/ч. При нагреве холодных слитков производительность колодца 9—12 т/ч. При хорошей организации работы смежных участков сталеплавильного цеха, стрипперного отделения, отделения нагревательных колодцев и обжимного стана >96 % слитков поступает на посадку в колодцы при 860—890 0C.
Наряду с получением заготовки для прокатки из слитков начали широко применяться бесслитковые способы получения блюмов, слябов и заготовок, описанные в разделе «Разливка стали».
Режим охлаждения существенно влияет на качество готового проката и его расход. В зависимости от предъявляемых требований и химического состава применяют быстрое или медленное охлаждение после прокатки. Например, инструментальные стали У9—У12 охлаждают в воде. При медленном охлаждении в структуре сталей У9—У12 образуется карбидная сетка, что не допускается техническими условиями. Между чистовой клетью и роликовыми барабанными моталками широкополосных станов полоса интенсивно охлаждается водой. Быстрое охлаждение полосы с 850—950 до 600—650 0C обеспечивает равномерную структуру и исключает выпадание свободного цементита. Большинство легированных сталей не допускает быстрого охлаждения. В процессе быстрого охлаждения в стали образуются поверхностные и внутренние трещины (флокены). Поверхностные трещины обнаруживаются визуально; флокены наблюдаются в продольном и поперечном сечениях после травления, где они обнаруживаются в виде радиальных и продольных трещин. Предотвратить развитие трещин и флокенов можно правильным выбором режима охлаждения стали. При медленном охлаждении происходит выравнивание температуры проката по сечению и уменьшаются термические напряжения.
Причиной образования флокенов являются не только термические напряжения в объеме металла. Образованию флокенов способствуют напряжения, возникающие вследствие неодновременности различных фазовых превращений в стали, образования структур с большим удельным объемом, накопления в микротрещинах водорода, развивающего большое давление. Медленное охлаждение существенно ослабляет все виды напряжений и тем самым уменьшает опасность флокенообразования. Рядовые стали охлаждают на воздухе. Скорость охлаждения не влияет на качество этих сталей. Стали, склонные к образованию трещин и флокенов, охлаждают по специальному режиму в колодцах, термостатах и др. В неотапливаемых колодцах охлаждается крупносортный прокат, например рельсы. Термостаты используют для медленного охлаждения проката небольшого поперечного сечения. При необходимости охлаждения стали по требуемому режиму применяют отапливаемые колодцы и специальные печи. Скорость охлаждения стали после прокатки определяет количество окалины, образующейся на поверхности изделий. С увеличением содержания углерода с 0,10 до 0,70 % величина потерь металла в виде окалины составляет соответственно 3,30— 2,30 % при охлаждении на воздухе. При охлаждении металла после прокатки водой или водяной пылью потери в виде окалины не превышают 1,5 %.
В процессе прокатки металл теряет тепло и температура его снижается. Кроме того, необходимо учитывать также, что на непрерывных прокатных станах металл прокатывается в одном направлении и передний конец полосы деформируется при более высокой температуре, а задний конец — при более низкой температуре. Отмеченное имеет важное значение и должно учитываться при выборе температуры и режима нагрева стали под прокатку.
Температура металла в последнем проходе и после прокатки существенно влияет на механические свойства готового проката. Горячая прокатка сталей заканчивается при температурах выше 900—9500C. При указанной температуре в последнем проходе зерна металла получаются мелкими, что определяет высокую пластичность стали и требуемые прочностные свойства. Температура конца прокатки влияет и на размеры готового проката. Как правило, высота заднего конца прокатываемой полосы, имеющего меньшую температуру, получается больше высоты переднего конца. С понижением температуры металла увеличивается его сопротивление деформации, что определяет повышение усилия прокатки и увеличение расстояния между валками в результате упругой деформации рабочей клети прокатного стана.
Качество готового проката зависит от общей продолжительности нагрева металла в печи и скорости нагрева. Одним из основных требований, предъявляемых к нагреву, является равномерность распределения температуры по сечению заготовки. Равномерность нагрева заготовок можно обеспечить длительной выдержкой металла в печи. Однако длительная выдержка при температуре >8000C связана с образованием окалины, обезуглероживанием. Ускоренный нагрев для ряда сталей также нежелателен. Например, при нагреве высоколегированных сталей в результате недостаточного внутреннего теплообмена образуются трещины по сечению заготовок, которые приводят к браку металла или снижению его механических свойств. Практически установлена длительность нагрева слитков от 2 до 12 ч. При нагреве слитков, имеющих исходную температуру 800— 9000C, требуется ~2 ч для нагрева их до температуры прокатки. При нагреве холодных слитков необходимо принять такую скорость, чтобы термические напряжения не превышали критических значений. Например, если слитки с содержанием 0,3—0,45 % С нагревают до температуры прокатки за 6—7 ч, то слитки стали с большим содержанием углерода следует нагревать с меньшей скоростью и длительность нагрева составит 8—9 ч.
Скорость нагрева зависит также от сечения нагреваемого металла. Минимально допустимая длительность нагрева сортовой заготовки слябов составляет, мин: т= = 0,1 Zh, где Z— удельная продолжительность нагрева, мин/см; h — толщина заготовки, мм.
Например, при нагреве квадратной заготовки со стороной 140 мм из сталей СтО—Стб Z=4, а для той же заготовки из легированной стали типа 10Х18Н9 Z= 12. Следовательно, длительность нагрева легированной стали при прочих равных условиях в три раза больше длительности нагрева углеродистой стали. В заводских инструкциях по нагреву приводятся таблицы групп марок сталей с указанием удельной продолжительности нагрева.
Горячая прокатка металлов и сплавов производится при нагреве выше температуры рекристаллизации; для стали температура нагрева составляет 0,8 Тпя (Tnл — температура плавления по абсолютной шкале). Например, для малоуглеродистой стали температура горячей прокатки должна быть не ниже ^=0,8(273+1530) = = 1442 K= 1169 0C.
При прокатке металла, имеющего температуру выше температуры рекристаллизации, ослабляются причины, вызывающие упрочнение — искажение кристаллической решетки, остаточные напряжения. Сопротивление металла деформации в процессе прокатки остается на исходном уровне, не снижается пластичность. Чем выше температура нагрева металла под прокатку, тем меньше деформирующее усилие и выше пластичность. Однако чрезмерно повышать температуру нагрева не рекомендуется. При температуре нагрева, близкой к температуре плавления стали, наблюдается быстрый рост зерен, что приводит к снижению пластичности и разрушению металла при небольших деформациях. При повышенной температуре нагрева стали в окислительной атмосфере наблюдается явление пережога — окисление границ зерен, что также приводит к разрушению металла. Пережог происходит тем легче, чем выше температура металла и чем больше окислительный потенциал атмосферы в печи. Особенно подвержены пережогу хромони – келевые стали, что в определенной степени объясняется низкой температурой плавления межзеренного вещества этого класса сталей. При пережоге происходит перераспределение серы, фосфора, кремния ме^ду аустенитом и жидкой фазой, образующейся на границах зерен под – плавлении межзеренного вещества. Межзеренное вещество обогащается указанными элементами, пластичность его снижается.
Температура нагрева заготовок из стали различного химического состава разная. Для углеродистых сталей максимальная температура нагрева должна быть на 100—150°С ниже линии солидуса диаграммы Fe — С. Чем выше содержание углерода, тем ниже температура нагрева стали. Температура нагрева стали с содержанием углерода