Надежность
Производство в РФ
+7 (351) 777-06-53
ждем вашего звонка
Сделать заявку

Окисление труб при пламенно-индукционном нагреве

ОКБ Козырев > Техническая библиотека > Окисление труб при пламенно-индукционном нагреве

Окисление труб при пламенно-индукционном нагреве

А.А. ЗГУРА, О.Т. НИКОЛЬСКАЯ, Т.В. ИВАНОВА, И.С. СТЕФАНСКИЙ
ВНИТИ, г. Днепропетровск
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 7. 1992 г.

Исследовали степень окисления труб при комбинированном пламенно-индукционном нагреве по схемам печь→индуктор, индуктор→печь, а также при индукционном и печном нагревах. Исследования проводили на трубах из углеродистой стали. Показано, что трубы окисляются в минимальной степени при нагреве по схеме печь→индуктор.

Комбинированный пламенно-индукционный нагрев применяется в трубном производстве, например при нагреве электросварных труб перед редуцированием, а также при нагреве труб с утолщенными концами при термической обработке.

Комбинированный пламенно-индукционный нагрев по сравнению с газовым менее продолжительный. Кроме того, его применение позволяет уменьшить длину нагревательной установки, снизить степень окисления металла, обеспечить более быстрый переход на новый режим нагрева при изменении размеров труб. На пламенно-индукционный нагрев расходуется меньше электроэнергии, чем на индукционный.

Недостатком комбинированного нагрева по сравнению с газовым является увеличение стоимости энергии, однако это компенсируется снижением степени окисления металла труб.

В литературе [1-5] приведены результаты исследования процесса окисления сплошных заготовок при комбинированном нагреве, однако их нельзя использовать при анализе окисления труб из-за различий во времени и температурах нагрева, а также площади нагреваемой поверхности.

Цель настоящей работы — исследование процесса окисления труб при комбинированном пламенно-индукционном нагреве по схемам печь→индуктор, индуктор→печь, а также при индукционном и печном нагреве.

Определяли степень окисления труб при различных способах нагрева. Нагревательная установка состояла из трехсекционной газовой печи и индуктора, установленного перед печью. Исследовали четыре схемы нагрева, при котором использовали проходной принцип движения труб при наличии реверса: в газовой печи, в индукторе, по схемам печь индуктор и индуктор печь.

Газовая печь длиной 3150 мм отапливалась природным газом низкого давления без подогрева воздуха, идущего на горение. Скорость движения труб регулировали от 0,5 до 10 м/мин. Индуктор длиной 500 мм устанавливали между роликами на расстоянии 500 мм от торца печи. Питание индуктора осуществлялось от тиристорного преобразователя частоты мощностью 250 кВт, частота тока 2400 Гц.

Температуру труб измеряли бесконтактным методом с использованием системы приборов типа АПИР-С после выхода из индуктора, на участке между индуктором и печью, а также на выходе из печи.

Исследовали трубы из стали 20 с наружным диаметром 105 и толщиной стенки 5 мм. Конечная температура нагрева труб 940..980 °С, что соответствует температуре нагрева под нормализацию, закалку или отжиг.

Следует отметить, что при нагреве труб под нормализацию, закалку, редуцирование, а в ряде случаев и при отпуске, не требуется длительная выдержка. Кроме того, трубы, как при печном, так и при индукционном нагреве, находятся непродолжительное время при высокой температуре. В связи с этим на поверхности трубы образуется небольшой слой окалины, который невозможно удалить механическим способом или погружением в воду после нагрева. Такая окалина снимается только травлением. Травление и взвешивание всех труб представляет собой сложную операцию. Для определения степени окисления труб использовали натурные образцы — кольца длиной 100 мм, вырезанные из опытных труб. Кольцо прикрепляли к торцу нагреваемой трубы специальными скобами. Таким образом, нагрев и охлаждение кольцевых образцов и труб были идентичны. Все испытания проводили в окислительной атмосфере печи при коэффициенте расхода воздуха α=1,05-1,1. Для каждого варианта нагрева использовали по три образца. До нагрева кольцевые образцы взвешивали на аналитических весах. После нагрева и охлаждения на воздухе с образцов удаляли окалину жесткой щеткой. Затем образцы травили в кислотном растворе следующего состава: 1 л 10%-ного водного раствора H2S04 + 70 г NaCl + 2 г пеноингибитора ХОСп-10. Температура раствора 60..70 °С. Продолжительность травления до 10 мин. После травления образцы промывали сначала в холодной, затем в горячей (при ~80 °С) воде и взвешивали. По разности массы образца до и после нагрева определяли массу окалины на наружной и внутренней поверхностях образца. Несколько образцов травили без нагрева. По разности их массы до и после травления определяли массу первоначальной (до термической обработки) окалины. Установлено, что исходная степень окисления труб 0,05-0,09 % (массовая доля) .

В табл. 1 представлены усредненные результаты оценки степени окисления труб при нагреве по схеме печь→индуктор, а также при нагреве только в печи.

При схеме печь→индуктор трубы с образцами нагревали в печи до температур 490..890 °С и затем подогревали в индукторе до 940..980 °С.

Анализ данных табл. 1 показывает, что при комбинированном нагреве по схеме печь→индуктор при нагреве труб в печи до 500..600 °С, а затем в индукторе степень окисления соответствует 0,5-0,55% (0,009-0,01 г/см2). При нагреве в печи до температуры выше 600 °С степень окисления возрастает и при печном нагреве до 940 °С составляет 0,93-0,96%.

Таблица 1. Результаты комбинированного нагрева по схеме печь → индуктор.

Режим нагрева t п, ° τ п, мин t и, ° τ и, мин Степень окисления, %
1 490 2,38 939 0,32 0,505 (0,0092)
2 555 2,12 940 0,31 0,55 (0,010)
3 705 1,67 955 0,29 0,65 (0,0165)
4 840 2,1 975 0,31 0,875 (0,0172)
5 890 2,15 980 0,32 0,94 (0,019)
6 940 4,0 0,93 (0,0185)
Обозначения: τ п, τ и — время нагрева труб в печи и индукторе соответственно; t п, t и — температура труб после нагрева в печи и индукторе; в скобках приведено значение удельного окисления труб, г/см2

Несколько иные результаты получены при комбинированном нагреве труб по схеме индуктор→печь (табл. 2). В этом случае трубы с образцами нагревали в индукторе в интервале температур 490..860 °С, а затем в печи до 940..950 °С.

Таблица 2. Результаты комбинированного нагрева по схеме индуктор → печь

Режим нагрева t п, ° τ п, мин t и, ° τ и, мин Степень окисления, %
1 490 0,35 940 2,5 0,85 (0,016)
2 590 0,29 955 2 1,15 (0,021)
3 630 0,29 950 2 0,993 (0.0165)
4 730 0,29 950 2 1,36 (0,025)
5 860 0,455 0,6 (0,011)
6 940 4,0 0,93 (0,0185)
Обозначения: τ п, τ и — время нагрева труб в печи и индукторе соответственно; t п, t и — температура труб после нагрева в печи и индукторе; в скобках приведено значение удельного окисления труб, г/см2

Установлено (табл. 2), что после нагрева труб в индукторе до 490 °С и затем в печи трубы окисляются в минимальной степени — на 0,85% (0,0165 г/см2), при нагреве в индукторе до температур выше 500 °С и затем в печи степень окисления возрастает до 1,36-1,4% (0,025-0,026 г/см2). При нагреве труб только в индукторе до 860 °С степень окисления составила 0,6%. Следует отметить, что приведенные в табл. 1 и 2 данные характеризуют суммарную величину окисления: печного окисления, в индукторе и воздушного (при транспортировке труб от печи к индуктору, от индуктора к печи и на охладительном столе). При учете этих составляющих окисление, вызванное только нагревом, очевидно было бы меньше.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что целесообразней применять комбинированный нагрев по схеме: нагрев в печи до 400..600 °С и окончательный нагрев до требуемой температуры в индукторе. При нагреве по такой схеме в окалину переходит минимальное количество металла (0,5-0,55%). При этом нагреваемая труба лишь в течение небольшого промежутка времени находится в области высоких температур (>600 °С), где и происходит интенсивное образование окалины.

Максимальное окисление металла труб наблюдается при нагреве по схеме индуктор→печь. При этом, начиная с температур нагрева в индукторе выше 500..550 °С, степень окисления резко возрастает. Это, очевидно, также связано с общим увеличением продолжительности высокотемпературного нагрева поверхности металла. При нагреве по этой схеме степень окисления выше, чем при печном нагреве.

Выводы:
1. При нагреве по схеме печь→индуктор с подогревом труб в печи до 400..600 °С степень окисления металла труб минимальна (0,5-0,55% от массы трубы). При нагреве в печи до температуры выше 600 °С и затем в индукторе степень окисления металла возрастает до ~0,9%.
2. Окисление металла труб при индукционном нагреве практически идентично окислению при нагреве по схеме печь→индуктор, что свидетельствует о целесообразности применения комбинированного нагрева.
3. Нагрев по схеме индуктор→печь приводит к окислению металла в наибольшей степени и может быть рекомендован только для установок с защитной газовой атмосферой.

Список литературы:

1. Кудрин Н. А., Лукьянов А. А., Соколов А. К. Установки пламенно-индукционного нагрева. М.: 1971. 151 с.
2. Асцатуров В. И. Комбинированный нагрев заготовок перед прокаткой. Бюллетень ЦНИИЧМ. 1970. № 17. С. 44—47.
3. Михайленко Ю. Е. Окисление и обезуглероживание стали при двухстороннем плазменном нагреве // Изв. вузов. Черная металлургия. 1985. № 10. С. 133—135.
4. Анализ топливоиспользования в печах трубного производства и разработка рекомендаций по экономии газа, электроэнергии при нагреве металла: (Отчет о НИР) / ВНИТИ. 1.21.14.2—Э—203—86—ТП № Г.Р01860066603; Днепропетровск: 1988. 181 с.
5. Бровкин В. Л. Математическое моделирование и оптимизация режимов пламенно-индукционного нагрева металла перед прокаткой: Дис. … канд. техн. наук. Днепропетровск, 1985. 213 с.