2.3 Термическая обработка проволоки и передельной заготовки

Отжиг является необходимой операцией термической обработки передельной проволоки. Отжиг проводят для снятия наклепа возникшего в результате волочения. Так как проволока при нагреве сильно окисляется из-за печных газов, образуя окалину, то проектом предусматривается применение светлого отжига в колпаковых печах с электроиндукционным нагревом.

Предусмотрено применение индукционного нагрева металла в металлургической промышленности [7]. Практика показывает, что в индустриально развитых странах индукционный нагрев рассматривается как экологически безопасный и энергетически эффективный способ нагрева металла. В будущем изменение структуры топливно-энергетического баланса сделает электроэнергию наиболее перспективным энергоносителем для промышленного нагрева. Стоимость природных энергоресурсов постоянно возрастает, а стоимость производства электричества снижается, что создает хорошую основу для постепенного экономически обоснованного вытеснения в металлургическом производстве газового нагрева индукционным.

Не менее важным преимуществом индукционного нагрева является значительное уменьшение окалинообразования, которое составляет в среднем 0,5-0,8% от массы нагреваемого металла, против 2-4% при нагреве в пламенных печах. Значительно уменьшается обезуглероживание сталей, которое при нагреве до 1100 ⁰С практически отсутствует. Можно считать, что при индукционном нагреве окалинообразование и обезуглероживание в основном происходят не в процессе нагрева, а в процессе транспортировки заготовки и ее деформирования.

При индукционном нагреве можно получать желаемое распределение температурных полей по сечению и длине нагреваемой заготовки, что будет способствовать экономии энергии.

Исключительно важное преимущество индукционного нагрева - улучшение условий труда. Немаловажное значение имеет и тот факт, что индукционные нагреватели обеспечивают минимальное выделение СО₂ [6]. Конструкция колпаковой печи электроиндукционного нагрева представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Колпаковая печь электроиндукционного нагрева фирмы "EBNER"

2.3.1 Принцип работы колпаковой электроиндукционной печи

Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля).

Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

Индукционный нагрев представляет собой беспламенный, бесконтактный способ нагрева, который позволяет нагреть тело до ярко-красного состояния в течение нескольких секунд.

Рисунок 2.11 - разогрев металлического сердечника электромагнитным способом

Проектом предусмотрен индукционный нагрев металла. На структуру и механические свойства металла после термообработки влияют не только исходная структура металла, степень обжатия при деформации, температура и время термообработки, но и скорость нагрева металла до температур обработки. Во многих исследованиях для анализа используют скорость нагрева во всем диапазоне от начала до конца нагрева [8,9,10]. Изменения в структуре металла при нагреве происходят в основном, при достижении им температуры начала аустенитного превращения A_c3. С увеличением скорости нагрева рекристаллизация сдвигается к более высоким температурам, но незначительно. Так, по [11], повышение скорости нагрева с 30 °С/час до 480 °С/час приводит к повышению критической точки A_c3 на 13 °С. Влияние скорости нагрева на величину рекристаллизованных зерен проявляется в основном в области температур рекристаллизации 600 °С - 720 °С, поэтому скорость нагрева приблизительно до 550 °С может быть любой, а в области температур 550 °С - 720 °С не должна превышать 180 °С/час - 250 °С/час.

Исследование влияния скорости нагрева в интервале температур от A_c3 до максимально требуемой проведено в [12, 13], где показано, что ускорение нагрева вызывает смещение окончания процесса аустенизации в область более высоких температур и тем более высоких, чем больше скорость нагрева и чем меньше углерода в стали [14,15]. Превращение перлита в аустенит при скоростном нагреве завершается быстрее, что позволяет уменьшить время термообработки [16,17,18,19].

Проведенный анализ литературных источников подтверждает допустимость сокращения продолжительности термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали за счет увеличения скорости нагрева до температуры A_c3.

Реализация высоких скоростей нагрева бунтов проволоки в существующих печах периодического действия с технологией косвенного нагрева невозможна. Это связано с тем, что скорость нагрева калиброванных бунтов в колпаковых электрических печах сопротивления не превышает 50°С/час - 70°С/час.

На температурно-временные факторы при формировании структуры металла существенное влияние оказывает и способ подвода энергии для процессов превращения. Так, по [17,20] замедленный процесс перлитных превращений при косвенном нагреве объясняется несвоевременным подводом энергии (теплоты) необходимого для прохождения процессов превращения.

При косвенном нагреве происходит фронтовое распространение энергии (теплоты) и, как следствие этого, структурные превращения в металле протекают неодновременно.

При прямом электронагреве энергия (теплота) генерируется одновременно в каждом элементе объема. Она затрачивается как на поддержание необходимой температуры, так и на само превращение. В результате создаются благоприятные условия для быстрого и одновременного протекания фазовых превращений по всему объему металла. Это один из важнейших факторов ускорения превращений при нагреве.

Обеспечить требуемую скорость нагрева в печах косвенного действия невозможно поэтому и при проведении термоциклирования целесообразно применение индукционного способа нагрева.

Режим термообработки бунтов проволоки включает в себя нагрев до температуры 760°С, выдержку при этой температуре в течение часа, охлаждение до температуры 690°С, выдержку при этой температуре в течение 6-8 часов, охлаждение с печью до 600°С и далее охлаждение на воздухе (рисунок 2.12) [23].

Рисунок 2.12 - Экспериментальный режим термообработки

для проверки влияния скорости нагрева на качество термообработки

V1, V2 - технологические выдержки