СПОСОБ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАЮЩЕГО ОТЖИГА СТАЛЬНЫХ ПОЛОС Российский патент 2004 года по МПК C21D8/02 C21D9/46 

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке полос в муфельной колпаковой печи, и может быть использовано при обезуглероживающем отжиге холоднокатаных полос в распушенных рулонах для магнитных экранов кинескопов.

Известен способ обезуглероживающего отжига стальных полос при транспортировании через проходную печь, включающий их нагрев до температуры отжига, выдержку при этой температуре в азотно-водородной увлажненной атмосфере и охлаждение, причем нагрев до температуры 550...700^oС осуществляют со скоростью 33...45^oС/с [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что при скоростном отжиге в проходной печи не обеспечивается глубокое и равномерное обезуглероживание: концентрация углерода изменяется по длине полосы в пределах 0,0013...0,008%. Это ухудшает качество полос.

Известен также способ обезуглероживающего отжига стальных полос, используемых для изготовления кинескопных масок. Способ включает отжиг полос в два этапа, причем на первом этапе отжиг проводят при температуре 650...750^oС в азотно-водородной атмосфере с точкой росы не ниже +30^oС, а на втором этапе отжиг проводят в атмосфере, содержащей Н₂≥50%, до достижения в атмосфере концентрации СО≤0,75•10^-3 ррm и СН₄≤0,75•10^-3 ррm [2].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не позволяет обеспечить требуемый уровень механических свойств отожженных полос и снизить остаточное содержание углерода до 4...10 ррm, что необходимо для магнитных экранов кинескопов.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ обезуглероживающего отжига полос для теневых масок кинескопов в муфельной колпаковой печи, включающий подачу в подмуфельное пространство азотно-водородной смеси, нагрев полос в распушенных рулонах за 7 ч до температуры отжига 690...710^oС в сухой азотно-водородной атмосфере, создание атмосферы увлажненного азота в подмуфельном пространстве, снижение содержания водорода в атмосфере до 50...60%, выдержку в течение 9...10 ч при температуре отжига и принудительное охлаждение рулонов в сухой азотно-водородной атмосфере в течение 10...11 ч [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что он не позволяет снизить содержание углерода в стали до 4...10 ppm при одновременном обеспечении высоких пластических и магнитных свойств (сниженной коэрцитивной силы Н_c и увеличенной магнитной проницаемости μ) полос для магнитных экранов.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе обезуглероживающего отжига стальных полос в распушенных рулонах в муфельной колпаковой печи, включающем подачу в подмуфельное пространство азотно-водородной смеси, нагрев и создание в подмуфельном пространстве атмосферы увлажненного азота, выдержку рулонов при температуре отжига и последующее принудительное охлаждение, согласно предложению нагрев ведут до температуры 690...720^oС, при которой полосы выдерживают в течение 0,8...1,2 ч, после чего в подмуфельном пространстве создают атмосферу увлажненного азота с точкой росы 0...+25^oС и выдерживают в течение 3...4 ч, затем подмуфельное пространство заполняют водородом и выдерживают полосы в течение 2...3 ч, после чего осуществляют принудительное охлаждение.

Возможны варианты осуществления способа, по которым атмосферу увлажненного азота создают подачей под муфель воды с удельным расходом 0,11...0,28 л/(т•ч), а также по которым принудительное охлаждение ведут до температуры не выше 40^oС со средней скоростью 80...100^oС/ч, и через 5,5...6,5 ч после начала охлаждения подмуфельное пространство заполняют сухим азотом.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Обезуглероживающий отжиг полос для магнитных экранов должен обеспечивать одновременное снижение концентрации углерода в ленте и получение заданных механических и магнитных свойств (прочности, пластичности, коэрцитивной силы, магнитной проницаемости) в готовой полосе. Нагрев до температуры 690.. . 720^oС и выдержка при этой температуре в течение 0,8...1,2 ч обеспечивает выравнивание температуры в рулоне, рекристаллизацию холоднокатаного металла и подготовку его микроструктуры к процессу обезуглероживания. Последующая выдержка в течение 3...4 ч при температуре 690...720^oС в атмосфере увлажненного азота с точкой росы 0...+25^oС обеспечивает обезуглероживание полосы с ее поверхностей по реакции:
Н₂О + С --> СО + H₂.

В процессе выдержки происходит непрерывный выход углерода к поверхности в результате диффузии, скорость которой максимальна при температуре от 690^oС и выше. Одновременно с обезуглероживанием продолжается рекристаллизация микроструктуры стали, освобождение твердого раствора металлической матрицы от углерода и карбидов. По истечении 3...4 ч выдержки содержание углерода в стали снижается до 4. . . 10 ppm, процесс обезуглероживания прекращается, возникает опасность окисления поверхности полос кислородом из воды, который раньше связывался в СО углеродом. Но поскольку процесс отжига еще не завершен, увлажненную атмосферу удаляют и заполняют подмуфельное пространство водородом. Дополнительная выдержка в восстановительной атмосфере водорода при температуре 690. . .720^oС в течение 2...3 ч приводит к завершению процессов рекристаллизации в стали, восстановлению окисных пленок на поверхностях полос до чистого железа. Этим обеспечивается повышение пластических свойств полос для магнитных экранов.

Атмосфера увлажненного азота для обезуглероживания может быть создана подачей в подмуфельное пространство воды с удельным расходом 0,11...0,28 литра на тонну отжигаемого металла в час. Вода, подаваемая в подмуфельное пространство, превращается в пар и при температуре 690...720^oС диссоциирует на атомарный кислород и водород. Атомарный кислород связывает углерод на поверхности стали в газ СО, который затем удаляют вместе с атмосферой из подмуфельного пространства. Указанный удельный расход воды на обезуглероживание был определен экспериментально для холоднокатаных полос толщиной 0,5...0,9 мм из малоуглеродистых сталей.

Принудительное охлаждение отожженных полос до температуры не выше 40^oС может быть проведено со средней скоростью 80...100^oС/ч. При таких скоростях охлаждения не происходит упрочнения отожженной стали и снижения ее пластичности, а при температуре не выше 40^oС возможна дальнейшая переработка полос. Охлаждение полос от 40^oС до температуры окружающей среды происходит самопроизвольно.

После 5,5...6,5 ч принудительного охлаждения со средней скоростью 80... 100^oС/ч подмуфельное пространство печи может быть заполнено сухим азотом. Это, во-первых, сократит время охлаждения и, во-вторых, повысит пожаровзрывобезопасность технологии обезуглероживающего отжига.

Экспериментально установлено, что при температуре нагрева ниже 690^oС или времени выдержки менее 0,8 ч пластические свойства отожженных полос снижаются, уменьшается степень обезуглероживания. Увеличение температуры отжига выше 720^oС или времени выдержки более 1,2 ч приводят к увеличению разнобалльности микроструктуры и удлинению цикла отжига.

При точке росы увлажненного азота ниже 0^oС снижается его активность, а при точке росы выше +25^oС происходит интенсивное образование окислов железа на поверхности полос.

При времени выдержки в атмосфере увлажненного азота менее 3 ч не завершаются процессы обезуглероживания, а увеличение этого времени более 4 ч ведет к окислению поверхности стальных полос.

При удельном расходе воды менее 0,11 л/(т•ч) возрастает содержание остаточного углерода в стали и удлиняется цикл обезуглероживания. Увеличение удельного расхода воды более 0,28 л/(т•ч) приводит к окислению поверхности полос, поэтому нецелесообразно.

Принудительное охлаждение со скоростью менее 80^oС/ч и до температуры ниже 40^oС удлиняет цикл отжига. Увеличение скорости охлаждения более 100^oС/ч приводит к ухудшению механических свойств, выражающемуся в возрастании прочностных и снижении пластических свойств отожженныххлос.

Заполнение подмуфельного пространства сухим азотом через период времени после начала охлаждения, меньший, чем 5,5 ч, не обеспечивает гарантированного восстановления всех окислов на поверхности полос. Увеличение этого времени более 6,5 ч удлиняет цикл охлаждения.

Примеры реализации способа
Холоднокатаную полосу сечением 0,7х600 мм из малоуглеродистой стали марки 08Ю, содержащей 0,04% углерода, смотанную в плотные рулоны массой 4 т, транспортируют к агрегату перемотки. На этом агрегате полосы перематывают в распушенные рулоны за счет размещения по обеим кромкам полосы дистанционной витой проволоки. Зазоры между витками рулона после перемотки составляют 3,0 мм и необходимы для прохождения в них защитного газа. Первый распушенный рулон с помощью мостового крана с магнитной шайбой устанавливают на стенд колпаковой печи, сверху на него устанавливают еще два таких же рулона, разделенных прокладками. Общая масса отжигаемых рулонов составляет Р=12 т. Стопу рулонов накрывают муфелем и заполняют подмуфельное пространство сухим азотом, вытесняя из него воздух. Затем на муфель устанавливают нагревательный колпак с газовыми горелками, включают вентилятор стенда для циркуляции защитного газа и производят нагрев из трех рулонов до температуры отжига Т_оо= 705^oС, при которой выдерживают в течение времени τ₁=1,0 ч.

По истечении одного часа в подмуфельное пространство подают воду с расходом 2,34 л/ч, что соответствует удельному расходу q=0,195 л/(т•ч). При этом в подмуфельном пространстве происходит формирование атмосферы увлажненного азота с точкой росы D_p=+12,5^oC. Температуру рулонов поддерживают на уровне Т_оо= 705^oС, подачу воды ведут в течение времени τ₂=3,5 ч, после чего прекращают. Расход воды на отжиг составляет 8,19 л.

После завершения подачи воды подмуфельное пространство заполняют сухим водородом, вытесняя из него увлажненный азот. В атмосфере сухого водорода рулоны выдерживают при T_oo=705^oC в течение времени τ₃=2,5 ч. Затем снимают со стенда нагревательный колпак, устанавливают колпак охлаждения и производят принудительное охлаждение рулонов со средней скоростью V_c=90^oС/ч сначала воздушными вентиляторами, а затем при падении температуры муфеля до 250^oС водой.

Через период времени τ₄=6 ч после начала принудительного охлаждения подмуфельное пространство заполняют сухим азотом, вытесняя из него пожаровзрывоопасный водород. Рулоны принудительно охлаждают до температуры Т_с=35^oС, после чего извлекают из-под муфеля. Дальнейшее их охлаждение происходит самопроизвольно.

В табл. 1 приведены варианты осуществления способа обезуглероживающего отжига, а в табл.2 - показатели их эффективности.

Из табл. 1 и 2 следует, что при реализации предложенного способа обезуглероживающего отжига (варианты 2-5) достигается снижение остаточного содержания углерода в стали и повышение пластических свойств: относительное удлинение δ₄, глубина лунки по Эриксену Е максимальны. Одновременно с этим имеет место снижение коэрцитивной силы Н_c и повышение магнитной проницаемости μ.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) содержание углерода в отожженных полосах возрастает, ухудшаются их пластические и магнитные свойства. Это снижает качество полос. Также более низкое качество отожженных обезуглероженных полос имеет место при реализации способа-прототипа (вариант 6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что нагрев полос до температуры 690...720^oС, при которой их выдерживают в течение 0,8...1,2 ч, последующее создание в подмуфельном пространстве атмосферы увлажненного азота с точкой росы 0...+25^oС и выдержка в течение 3...4 ч, заполнение подмуфельного пространства водородом, выдержка полос в течение 2. ..3 ч и принудительное охлаждение обеспечивают снижение остаточного содержания углерода в пределах 4...10 ppm и одновременное формирование гомогенной рекристаллизованной микроструктуры феррита. Полосы с такой микроструктурой обладают повышенными пластическими и улучшенными магнитными свойствами. Помимо этого исключается окисленность поверхности отожженных полос, повышается пожаровзрывобезопасность процесса.

В качестве базового объекта принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечивает повышение рентабельности производства полос для магнитных экранов на 10...15%.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР 1275053, МПК C 21 D 8/12, 1986.

2. Заявка 63-130715, Япония, МПК C 21 D 9/45, C 21 D 1/26, 1988.

3. Добронравов А. И. Производство кинескопной полосы. - Магнитогорск, 1997, с. 62-64 - прототип.

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке полос в муфельной колпаковой печи, и может быть использовано при обезуглероживающем отжиге холоднокатаных полос в распушенных рулонах для магнитных экранов кинескопов. Технический результат состоит в улучшении качества полос путем снижения содержания углерода и повышения пластических свойств полос для магнитных экранов. Способ включает подачу в подмуфельное пространство азотно-водородной смеси, нагрев полос, создание в подмуфельном пространстве атмосферы увлажненного азота, выдержку полос при температуре отжига и последующее принудительное охлаждение. Нагрев полос ведут до температуры 690-720^oС, при которой полосы выдерживают в течение 0,8-1,2 ч, после чего в подмуфельном пространстве создают атмосферу увлажненного азота с точкой росы 0. . . +25^oС и выдерживают в течение 3-4 ч, затем подмуфельное пространство заполняют водородом и выдерживают полосы в течение 2-3 ч, после чего осуществляют принудительное охлаждение. Атмосферу увлажненного азота создают подачей под муфель воды с удельным расходом 0,11-0,28 л/(т•ч). Кроме того, принудительное охлаждение ведут до температуры не выше 40^oС со средней скоростью 80-100^oС/ч, а через 5,5-6,5 ч после начала охлаждения подмуфельное пространство заполняют сухим азотом. 3 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ обезуглероживающего отжига стальных полос в распушенных рулонах в муфельной колпаковой печи, включающий подачу в подмуфельное пространство азотно-водородной смеси, нагрев и создание в подмуфельном пространстве атмосферы увлажненного азота, выдержку рулонов при температуре отжига и последующее принудительное охлаждение, отличающийся тем, что нагрев ведут до температуры 690-720°С, при которой полосы выдерживают в течение 0,8-1,2 ч, после чего в подмуфельном пространстве создают атмосферу увлажненного азота с точкой росы 0...+25°С и выдерживают в течение 3-4 ч, затем подмуфельное пространство заполняют водородом и выдерживают полосы в течение 2-3 ч, после чего осуществляют принудительное охлаждение.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что атмосферу увлажненного азота создают подачей под муфель воды с удельным расходом 0,11-0,28 л/т·ч.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что принудительное охлаждение ведут до температуры не выше 40°С со средней скоростью 80-100°С/ч.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что через 5,5-6,5 ч после начала охлаждения подмуфельное пространство заполняют сухим азотом.