Для нагрева проволоки и ленты при закалке, отпуске, светлом отжиге и патентировании применяют протяжные печи, которые являются составной частью соответствующих агрегатов и линий.
В состав простейших агрегатов с малой производительностью и скоростью движения термообрабатываемого металла входят размоточно-намоточные устройства, стол для соединения концов рулонов или бухт при помощи скрепок или сварки вручную и печь. В сложных агрегатах и поточных линиях может быть установлено последовательно несколько протяжных печей различного назначения, например термическая обработка, сушка, обезжиривание и т.п. При этом протяжные печи могут и не быть основным технологическим элементом (в линиях цинкования, алюминирования и т.п.) В составе таких агрегатов или поточных линий можно выделить три основные части: головную, где металл подготавливают к обработке; технологическую, где происходит соответствующая обработка; и хвостовую, где металлу придают вид готовой продукции. Головная часть обычно состоит из разматывателя (одного или нескольких), ножниц для обрезки торцевых кромок, тянущих правильных роликов с центрирующим устройством, сварочной машины для стыковки концов бухт или рулонов, натяжного и центрирующего устройств, устройства для очистки поверхности металла, натяжного устройства, петлевого устройства (накопителя) для возможности сварки концов рулонов (бухт) без остановки транспортирования металла в технологической части линии. Заканчивается эта часть линии обычно натяжным устройством с регулятором натяжения. Хвостовая часть линии состоит из натяжного устройства, петлевого устройства (накопителя) для возможности разрезки термообрабатываемого металла на рулоны (бухты) или на мерные заготовки без остановки транспортирования его в технологической части, натяжного устройства, ножниц для разрезки металла (с вырезкой района сварки), намоточного устройства металла в рулоны (бухты) или устройства для складывания мерных заготовок в пакеты, стопы и т.п.
В агрегате для закалки и отпуска (рис. 3.40) проволока сматывается с моталок 1, находящихся перед печью, и наматывается на ряд приводных горизонтальных барабанов 3, которые помещаются за печью. Изделия движутся в несколько параллельных рядов: проволока в 18...24, лента в 3...6, а широкая лента в один.
В состав агрегата входит закалочная печь 2, закалочный бак 3 и отпускная печь 4. Для создания равномерности нагрева применяют муфельные печи.
Рис 3.40. Протяжной агрегат для закалки и отпуска проволоки
Патентирование широко применяют в производстве стальной проволоки из средне- и высокоуглеродистых и некоторых легированных (70С2ХА, 65Г, 50ХФА и др.) сталей, содержащих 0,35...0,9 %С. Патентирование выполняют путем нагрева стали до аустенитного состояния с последующим охлаждением в средах (солях, свинце, кипящем слое) с температурами, обеспечивающими превращение переохлажденного аустенита в тонкопластинчатый перлит (сорбит). Такая структура позволяет проводить волочение с высокими степенями обжатия и обеспечивает после волочения упрочнение стали с сохранением повышенной пластичности и вязкости.
Патентирование осуществляется при непрерывном движении проволоки через нагревательную протяжную печь для аустенитизации и патентировочную ванну для превращения аустенита. В книге 1 настоящего учебного пособия описан агрегат патентирования проволоки, в котором аустенитизация производится в муфельных печах с электронагревом.
Процесс патентирования проволоки может быть реализован и при использовании печей-ванн. В этом случае проволока нагревается при непосредственном контакте с жидкой средой (металлические или солевые расплавы). Так как при этом передача тепла происходит значительно быстрее, чем при использовании электрического или газового нагрева, можно осуществить быстрый и равномерный нагрев проволоки, а также лёгкое и надёжное управление температурным
режимом.
На рис. 3.41. приведена схема патентирования в агрегате из печей-ванн.
В состав агрегата входят: моталки для сматывания проволоки 1, ванна для подогрева 2; ванна аустенитизации 3; ванна для сорбитизации 4; ванны для травления и промывки 5; намоточное устройство 6.
Процесс патентирования может быть также осуществлен и при использовании в качестве нагревательной среды кипящего слоя. В УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург) предложен процесс патентирования проволоки в агрегатах с кипящим слоем. В качестве псевдосжиженного материала в печах и ваннах использовали белый корунд с размерами частиц 100 мкм. Обогрев печи осуществляли за счет сжигания природного газа при коэффициенте расхода воздуха 0,45 в присутствии катализатора. Температура в ванне поддерживалась при помощи инжекционных горелок. Исследования показали, что свойства проволоки после патентирования в кипящем слое не уступают свойствам проволоки, патентированной в расплаве соли. Применение кипящего слоя позволяет отказаться от токсичных свинцовых и взрывоопасных селитровых ванн, сократить длину печи и уменьшить окисление проволоки.
Рис. 3.41. Схема агрегата для патентирования проволоки в печах-ваннах
В настоящее время большое внимание в России и за рубежом уделяется разработке качественно новых процессов, позволяющих в большей степени реализовать особенности и преимущества электронагрева для термической обработки проволоки.
Схема агрегата для патентирования с нагревом при прямом пропускании электрического тока приведена на рис. 3.42.
Агрегат состоит из моталки для сматывания проволоки 1, контактной ванны 2, нагревательного участка 3, ванны для сорбитизации 4, устройства для охлаждения 5 и намоточного устройства 6.
Обрабатываемый участок проволоки подвергается однократному или многократному нагреву до температуры аустенитизации с помощью прямого пропускания тока. В качестве контактов служат две ванны, в большинстве случаев наполненные жидким свинцом. Вторая контактная ванна является одновременно ванной для сорбитизации. Прежде при нагреве с помощью непосредственного пропускания электрического тока для его подвода использовались контактные зажимы (ролики). Однако часто в месте такого контакта происходило искрение, в результате которого повреждалась поверхность проволоки. Поэтому в настоящее время эти контакты всюду заменены жидкими металлическими или солевыми ваннами.
Преимущества патентирования при нагреве пропусканием тока состоят в высоком энергетическом КПД на нагреваемом участке (85...95%), малых потерях при холостом ходе проволоки и в возможности осуществлять нагрев до заданной температуры без подогрева.
При производстве ленты из низкоуглеродистой стали в качестве промежуточной и окончательной термообработки выполняют безокислительный отжиг, для ленты из нержавеющей стали применяют светлую закалку, трансформаторную стать подвергают обезуглероживающему отжигу.
Рис. 3.42. Схема агрегата для патентирования проволоки с нагревом при прямом пропускании электрического тока
Термическая обработка ленты осуществляется главным образом по двум схемам: в протяжных печах (путем непрерывного протягивания) и в колпаковых печах, конструкция и принцип работы которых изложен в книге 1 настоящего учебного пособия.
Преимущества термообработки в протяжных линиях состоят в быстроте процесса, в обеспечении однородных свойств по всей длине ленты, в возможности осуществления химико-термической обработки, а также нанесения защитных покрытий.
Однако протяжные линии в большинстве своем мало приспособлены для переналаживания режима. Кроме того, в них затруднена обработка изделий толщиной более 6 мм. В таких линиях также не отжигают стальную ленту, предназначенную для глубокой вытяжки, так как из-за малой продолжительности пребывания ленты в печах (вследствие высоких скоростей движения) в металле формируется структура, малопригодная для глубокой вытяжки и штамповки.
По характеру движения ленты протяжные линии бывают вертикальными (башенными), горизонтальными и наклонными. Вертикальные линии предназначены для скоростной обработки тонкой (толщиной до 1 мм) ленты. Их компонуют из многозонных печей с электрическим, газовым или смешанным подогревом, из ряда охладительных камер, очистных устройств, транспортной системы, двух устройств для запаса ленты (накопителей петель). Скорость движения ленты в таких линиях достигает 600 м/мин. Общая длина одновременно находящейся в рабочем пространстве ленты достигает 1600 м.
На рис. 3.43 приведена схема линии с протяжной вертикальной печью.
Рис. 3.43. Схема линии с протяжной вертикaльнoй печью
Линия состоит из разматывающего устройства 1, направляющих роликов 2, нитеулавливателя 3, сварочной машины 4, обезжиривающих устройств 5, натяжных роликов б, накопителя для петель 7, зоны нагрева 8, зоны выдержки 9, зоны предварительного охлаждения 10, зоны окончательного охлаждения 11 и устройств для смотки 12.
Работа линии для непрерывного отжига стальной ленты в защитной атмосфере осуществляется следующим образом. Холоднокатаная лента с разматывающих барабанов 1 поступает через направляющие ролики 2, блок вертикального регулятора ленты и сварочную установку 4 к обезжиривающему устройству 5, представляющему собой промывочные ванны. Далее лента через сушильную камеру с помощью приводных тянущих роликов 6 подается в вертикальную башню запаса ленты (накопитель петель) 7. Башня запаса ленты представляет собой камеру прямоугольного сечения с рядом неподвижно закрепленных роликов вверху перемещающихся роликов внизу, на которых петлеобразно натянута лента. При сокращении длины ленты нижние ролики автоматически подтягиваются к верхним роликам с помощью канатов. Из башни запаса лента попадает в камеру подогрева, а затем в зоны нагрева 8 и выдержки 9, где нагревается до температуры 680°С с помощью электрических нагревателей. Затем лента поступает в камеру предварительного охлаждения, где охлаждается до температуры 450°С. Выйдя из печи, лента проходит через секции охладительной камеры 11, представляющие собой коробки из листового железа, охлаждаемого снаружи водой. Здесь лента охлаждается до температуры 150°С и попадает для окончательного охлаждения и промывки в водяной затвор. Далее лента пропускается между резиновыми роликами для удаления влаги, подвергается сушке горячим воздухом и, пройдя уравновешивающий ролик, тянущими роликами направляется в разгрузочную башню запаса ленты. Из башни запаса лента выдаётся тянущими роликами, проходит вырезку проб пуансонами, счетчик и через направляющий ролик наматывается на приводной барабан.
К недостаткам агрегата следует отнести сложность заправки ленты при ее обрыве, для чего предусмотрены специальные люки в боковых стенках печи.
Схема агрегата с протяжной горизонтальной печью приведена на рис. 3.44.
В состав агрегата входят: разматывающее устройство 1, направляющие ролики 2, нитеулавливатель 3, сварочный аппарат 4, обезжиривающее устройство 5, натяжные ролики 6, накопитель петель 7, камера нагрева 8, камера выдержки 9, камера охлаждения 10, устройство для смотки 11.
Рис. 3.44. Схема агрегата с протяжной горизонтальной печью
Горизонтальные линии имеют меньшую производительность, зато в них можно обрабатывать ленту большей толщины (до 4...6 мм). Однако гнуть такую ленту можно лишь при температуре не ниже 600ºС. Обработка тонкой ленты (толщиной до 2 мм) в горизонтальных линиях лимитируется из-за сложности обеспечения ее передвижения с большими скоростями: при скорости 1,5...2,0 м/с вследствие биения и сползания ленты с направляющих роликов возникают трудности ее центрирования. Печи в горизонтальных линиях нередко делают многоярусными.