Сущность процесса низкотемпературной прокатки (также встречается термин низкотемпературный нагрев) заключается в значительном, на 100–400 °С, уменьшении температуры начала прокатки. Такое снижение температуры нагрева приводит к существенному уменьшению расхода топлива на нагрев заготовок и времени нагрева. Последнее увеличивает производительность печи и снижает окалинообразование.
Низкотемпературная прокатка относительно давно и успешно применяется на тонколистовых широкополосных станах, а также на проволочных и сортовых станах. Проведенные исследования показали, что благодаря снижению температуры начала прокатки можно достигнуть сокращения расхода энергии до 120 МДж/т на среднесортном стане и 195 МДж/т – на мелкосортном.
С одной стороны снижение температуры нагрева на каждые 10 °С сокращает расход топлива на 0,3–1,0 кг у.т./т и угар металла на 0,4–1,2 кг/т. С другой стороны, увеличивает расход электроэнергии на прокатку и износ валков на 1–2%, что обусловлено возрастанием сопротивления металла деформации и, соответственно, силы прокатки. Однако в денежном эквиваленте экономия расходов на топливо больше в 4 раза, чем дополнительные затраты на электроэнергию.
Одним из примеров реализации технологии низкотемпературной прокатки на сортовом стане является завод фирмы Fagerstad AB Osterbyverken (Швеция). На этом заводе технология низкотемпературной прокатки была применена при производстве мелкосортного проката квадратного сечения 10,5×10,5 мм из заготовок диаметром 70 мм из углеродистой стали. На стане снизили температуру начала прокатки с 1150 до 750 °С, то есть на 400 °С. А для прокатки заготовок из пружинной, подшипниковой, инструментальной и нержавеющей сталей допустимо снижать температуру начала прокатки до 800–950 °С. Снижение затрат энергии составляет от 306 до 468 Мдж/т.
Следует отметить, что при прокатке среднеуглеродистых сталей ~80% энергии тратится на нагрев металла до 1150 °С. При снижении этой температуры до 750°С качество продукции остается соответствующим стандартам Швеции, а затраты энергии, невзирая на увеличение нагрузки двигателей стана, уменьшаются. При снижении температуры прокатки нержавеющих сталей до 800–950 °С затраты энергии уменьшаются на 13–20%.
Еще одним из положительных эффектов от использования технологии низкотемпературной прокатки является снижение потерь тепла раскатом во время прокатки и транспортировки. В связи с тем, что теплоотдача от раската в окружающую среду зависит от 4-й степени абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана), снижение температуры нагрева приводит и к уменьшению потерь тепла во время прокатки и транспортировки раската.
Установлено, что потери тепла излучением при низкотемпературной прокатке уменьшаются до 70%. В то же время, зависимость потерь тепла в связи с контактом прокатываемого металла с валками от перепада температур носят линейный характер и уменьшаются при снижении температуры метала в меньшей степени.
С другой стороны приход энергии от разогрева металла в условиях пластической деформации, если прокатка ведется в одинаковых энергосиловых условиях, зависит только от числа проходов. Уменьшение температуры нагрева влечет за собой уменьшение разовых абсолютных обжатий, что приводит к увеличению числа проходов. Например, если при обычном режиме нагрева сляба в черновой клети ТЛС совершается 5–7 проходов, а в чистовой 9–11, то увеличение числа проходов до 9–15 в случае использовании технологии низкотемпературной прокатки вполне допустимо. Таким образом за счет увеличения количества проходов приход тепла только за счет тепла деформации может увеличится в 1,5 раза.
Несмотря на все преимущества, применение технологии низкотемпературной прокатки во многих случаях может ограничиваться допустимыми нагрузками на прокатное оборудование (в связи с возрастанием силы прокатки), а также требованиям к получению необходимой микроструктуры металла.
При разработке технологии низкотемпературной прокатки необходимо решить следующие задачи:
- определить допустимую минимальную температуру нагрева металла с точки зрения обеспечения образования необходимой структуры;
- рассчитать силу прокатки и произвести проверочные расчеты оборудования на прочность;
- рассчитать расход топлива на нагрев и электроэнергии на прокатку при разных температурах нагрева;
- оптимизировать температурный режим по минимуму энергозатрат (или по минимуму денежных затрат).
В качестве примера представлены результаты расчетов расхода энергоносителей в зависимости от температуры нагрева для прокатки полосы толщиной 5 мм. Оптимальной температурой нагрева с точки зрения минимума энергозатрат в этом случае является температура 1000 °С. Следует отметить, что для разных прокатных станов и типоразмеров проката оптимальная температура начала прокатки будет существенно отличаться.