Лекція 9. Тема 1.8 Нагрівання металу. Режими нагріву.

Лекція 9.

Тема 1.8 Нагрівання металу. Режими нагріву.

Нагрів перед прокаткою повинен забезпечувати пластичність, хорошу якість сталі і якнайменший опір деформації. Чим вище температура нагріву металу, тим менше витрата енергії. Тривалість нагріву металу визначається фізико - хімічними властивостями сталі, температурними умовами печі, формами і розмірами виробів, що нагріваються. Нагрів металу починається з поверхні заготовки з подальшим проникненням тепла в середину за рахунок теплопровідності. Чим вона вище, тим швидше нагрів. Теплопровідність металів і сплавів не однакова – чисті метали більш теплопровідні, ніж сплави. Швидкий нагрів приводить до утворення тріщин унаслідок нерівномірного нагріву шарів в металі заготовки. Чим менше теплопровідність, тим більше вірогідність утворення тріщин.

Оптимальні температури нагріву металу.

Температурний режим гарячої прокатки характеризується температурами початку і кінця прокатки. За температуру початку прокатки приймають температуру нагріву заготовок.

Для вуглецевої сталі максимальна температура нагріву, встановлюється відповідно до лінії солідус по діаграмі (Fe – С). Максимальну температуру плавлення для вуглецевих і низько вуглецевих сталей приймають на 100-150 °С нижче лінії солідус.

Найвищу температуру нагріву 1350 °С приймають для сталей, що містять приблизно 0,1% С. З підвищенням змісту вуглецю, температура нагріву знижується. Для легованих сталей температуру нагріву призначають шляхом досліджень з урахуванням чинників, що впливають на структуру сталі.

При виборі температури нагріву враховують режими роботи нагрівальних пристроїв.

Слід зазначити низьку пластичність високо вуглецевих і легованих сталей при температурі до 500-600 °С.

Посадка злитків і заготовок в піч з високою температурою або нагрів з дуже високою швидкістю може привести до утворення тріщин. Вони виникають в результаті великих внутрішніх напруг через великий перепад температур між поверхнею і внутрішніми шарами.

Тому нагрів злитків і заготовок із сталі малої теплопровідності і пластичності слід вести поступово і повільно, особливо до 600-650⁰С. особливо схильні до утворення тріщин при нагріві хромо-марганцовисті  і хромо-кремнієві сталі.

При нагріві вуглецевої інструментальної сталі із змістом більш 1% С, високомарганцевистої, шарикопідшипникової, швидкорізальній сталі спостерігається утворення флокенів – тріщин, які мають вигляд глибоких дірок. Причина – напруги, що виникають при швидкісному нагріві.

При температурі нагріву вище 700 °С пластичність сталі вже висока, і тому всі сталі можна нагрівати з максимально можливою швидкістю.

Мінімальна температура нагріву визначається допустимою температурою кінця прокатки, яка повинне бути вищою за крапку Ar₃ (727 °С).

При визначенні температури кінця нагріву зважають на:

• метал при вибраній температурі повинен мати однофазну структуру, оскільки однофазна характеризується більш низькою пластичністю, ніж гомогенна;

• у зв'язку з відмінністю механічних властивостей вибрана температура повинна забезпечувати вирівнювання хімічного складу, ліквацій і інших шкідливих скупчень в сплавах.

Режими нагріву.

Важливо при нагріві вихідного матеріалу до заданої температури забезпечити рівномірний нагрів по всьому перетину. Нерівномірний нагрів сприяє утворенню внутрішніх розривів, збільшенню зносу прокатних валків і викликає небезпеку їх поломки. Залежно від технології нагріву і конструкцій нагрівального пристрою можуть забезпечувати одне, двох, трьох і багатоступінчатий нагрів.

Одноступеневий нагрів здійснюється при постійній температурі печі або при постійному тепловому потоці.

Двохступеневий нагрів складається з нагріву і витримки при постійній температурі. Застосовують для нагріву гарячого посаду всіх марок сталі в методичних печах і холодного посаду вуглецевої сталі в нагрівальних колодязях і при нагріві в постійному тепловому потоці – для нагріву пакетів, труб, листів, рулонів.

Трьохступеневий нагрів  має 3 періоди.

1 період - невелика швидкість нагріву при збільшеному тепловому потоці.

2 період - прискорений нагрів при постійному тепловому потоці.

3 період - томління при постійній температурі.

Застосовуються в трьохзонних методичних печах, нагрівальних колодязях для холодної  вуглецевої і легованої сталі.

Багатоступеневий нагрів застосовують при термічній обробці. Він складається з ряду періодів нагріву - витримки і охолодження. Для забезпечення обробки складно деформуємих сталей.

Дефекти нагріву та методи їх попередження.

Окалиноутворення. При нагріві вихідних матеріалів в нагрівальних пристроях завжди відбувається окислення металу – процес хімічної взаємодії пічних газів із залізом, домішками, легуючими елементами з утворенням  на поверхні злитка окалини. Зовнішній (найтонший шар) окалини складається з Fe₂O₃ (гематиту), середній шар -  Fe₃O₄ (магнетиту), внутрішній (найтовщий) – FeO - закис заліза.  Утворення окалини – джерело втрат металу. Окалина складає 1-2% від маси заготовки. Враховуючи те, що метал в процесі прокатки нагрівають не один раз, окалина в середньому складає 3-4%. Крім того, окалина при прокатці може вдавлюватися в метал, що погіршує його якість, прискорює знос валків і сприяє утворенню браку в результаті розкриття підкіркових міхурів.

При гарячій  прокатці, на станах встановлюють спеціальні клітки – окалиноломателі – для дроблення крупних кусків окалини, які потім змиваються гідрозмивом. При холоднійпрокатці, окалину з рулонів видаляють травленням їх в розчині кислоти. Утворення окалини найчастіше відбувається при температурі 900-1000 °С. Окалини тим менше, чим більше швидкість нагріву метала. Для зменшення окалини, процес горіння газів повинен протікати при якнайменших надлишках повітря. При нагріванні легованих сталей, що містять Cr, , Ni, Al, Si спостерігається зменшення окалиноутворення. Ці елементи утворюють щільну плівку оксидів, перешкоджаючі  подальшому окисленню.

Зневуглецьовування. Разом з окисленням металу відбувається зневуглецьовування – процес хімічної взаємодії пічних газів з вуглецем в сталі, що знаходиться в твердому розчині або у вигляді карбіду заліза Fe₃С, внаслідок чого в поверхневому шарі зменшує кількість вуглецю. Глибина зневуглецьованого шару залежить від змісту вуглецю в сталі, температури нагріву і часу нагріву.

Вуглецеві стали із змістом 0,3-0,4 % вуглецю майже не зневуглецьовуються, а із змістом більше 0,4% С – процес протікає тим більше інтенсивно, ніж більше вуглецю і цьому сприяє підвищення температури. На процес зневуглецьовування впливають ті ж чинники, що і на процес окалиноутворення.

Перегрів  металу. При нагріві до температур, близьких до температур плавлення та довгої витримки, спостерігається  перегрів металу. Перегрів –процес, коли при нагріванні металу і тривалій витримці спостерігається зростання зерен, і вони настільки збільшуються, що зв'язок між ними ослабляється і механічні властивості погіршуються. Результат - тріщини і рванини в металі. У ряді випадків перегрів можна усунути, піддавши сталь термічній обробці. Сильний перегрів виправити не можна, оскільки крупні зерна перегрітої сталі втрачають здібність до рекристалізації.

Перепал – виникає при температурах, близьких до точки плавлення, коли в середину сталі проникає кисень, який окисляє зерна. В результаті при подальшій обробці метал розвалюється на частини. Чим вище вміст вуглецю в сталі, тим при більш низькій температурі відбувається перепал. З легованих сталей найчутливіші до перепалу - хромові, нікелеві і хромонікелеві сталі. Особливо схильні до перепалу високолеговані сталі, що пояснюється легкоплавкістю міжкристалічних речовин.

Явища перегріву і перепалу частіше всього можливі при вимушеній затримці металу в печі. В цьому випадку знижують температуру і зменшують кількість повітря, що подається.

Контрольні питання.

1. Для чого використовують нагрів в прокатних цехах?

2. Як визначають тривалість і  температуру нагріву?

3. Які наслідки може мати швидкісний нагрів?

4. Що враховують при встановленні температури кінця прокатки?

5. Від чого залежить режим нагріву металу?

6. Як видаляють окалину під час процесів прокатки?

7. Чи можна виправити сильний перегрів?

8. Як виникає перепал?