CZ281967B6

CZ281967B6 - Způsob tepelného zpracování ocelových drátů a zařízení k provádění způsobu

Info

Publication number: CZ281967B6
Application number: CS861491A
Authority: CZ
Inventors: Michel Neirynck
Original assignee: N. V. Bekaert S.A.
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1997-04-16
Also published as: ES552641A0; ZA861595B; EP0195473B1; SU1500167A3; DD250550A5; JPS61276938A; AU591652B2; EP0195473A1; TR22844A; GB8505491D0; AU5389686A; CZ149186A3; BR8600916A; SK280378B6; KR930009977B1; KR860007391A; IN166412B; ATE48444T1; CN86101334A; ES8703528A1

Abstract

Při tepelném zpracování ocelových drátů (W) patentovacím postupem se austenitizované dráty (W) ochlazují v prvním pásmu (Q) fluidovaného lože (Q) a převedou se do druhého pásma (TR-S), ve kterém se teplota reguluje v několika úsecích (13) na sobě nezávislými topnými prvky (14) pro vytvoření teplotního gradientu v druhém pásmu (TR-S) fluidového lože, při kterém transformace začíná při první teplotě v prvním úseku (13) a pokračuje v dalších úsecích (13). Zařízení k provádění tohoto způsobu obsahuje fluidované lože, sestávající z prvního pásma (Q) a z druhého pásma (TR-S), rozděleného na několik oddělených úseků (13), které obsahují na sobě nezávislé topné prvky (14), které jsou samostatně řízeny.ŕ

Description

Způsob tepelného zpracování ocelových drátů a zařízení k jeho provádění

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování ocelových drátů patentovacím postupem, při kterém se austenitizované ocelové dráty ochlazují v prvním pásmu fluidovaného lože a převedou se do druhého pásma fluidovaného lože, ve kterém se provede transformace, přičemž první pásmo fluidovaného lože se fluiduje fluidizačním plynem a druhé pásmo fluidovaného lože se fluiduje dalším fluidizačním plynem a teploty obou pásem fluidovaného lože se regulují nezávisle na sobě samostatně regulovanými zdroji plynu. Vynález se týká také zařízení k provádění tohoto způsobu, sestávajícího z prvního pásma fluidovaného lože pro ochlazování drátů, ze druhého pásma fluidovaného lože a z prostředků pro nezávislé fluidizování prvního pásma a druhého pásma fluidovaného lože a pro nezávislé řízení jejich teplot.

Dosavadní stav techniky

Patentovací postup zahrnuje ohřev uhlíkatých ocelových drátů do austenitické fáze, obecně na teplotu nad 800 °C, a jejich následné ochlazení na zvolenou teplotu, na které se ocelové dráty udržují dostatečně dlouho pro dokončení obecné izotermické dekompozice austenitu. Zvolená teplota se obvykle pohybuje kolem 550 °C a cílem tohoto zpracování je dosažení jemné perlitické struktury. V další fázi probíhá tažení ocelových drátů.

Dráty jsou obecně z obyčejné nebo slitinové oceli s obsahem uhlíku v hmotnostním množství od 0,1 % do 1,0 %, výhodně v rozmezí od 0,25 % do 1,25 %. Dráty mohou mít jakýkoliv tvar svého příčného průřezu, například čtvercový nebo obdélníkový, zejména však mají kruhový tvar průřezu o ploše větší než 0,15 mm². Do rozsahu pojmu drát je třeba zahrnout také tyče, lišty, profilové pásy a podobné podlouhlé válcované nebo tvářené prvky.

Při obvyklém patentovacím postupu se provádí ochlazování a transformace materiálu v lázni roztaveného olova, udržované na stálé teplotě. I když tento postup zajišťuje dobré výsledky vzhledem k vysokému měrnému teplu roztaveného olova, což podporuje rychlé ochlazení drátu, projevují se zde určité technické problémy. Kromě ohrožení bezpečnosti práce při manipulaci s roztaveným olovem může docházet ke ztrátám olova v důsledku jeho ulpívání na povrchu zpracovávaných drátů a také k vzniku povrchových vad drátů, způsobených znečištěním olovem.

Bylo navrženo nahradit olověnou lázeň proudem chladicího stlačeného plynu nebo vzduchu, tato metoda však není dostatečně spolehlivá u drátů s průměrem menším než 5 mm a problémy se tedy nejčastěji projevují v tažímách drátů zpracovávajících dráty s průměrem menším než 2 mm.

Bylo rovněž navrženo použít zařízení s ohřívaným fluidovaným ložem, kde je dosahováno lepšího přestupu tepla ve srovnání s chladicí metodou používající chlazení proudem stlačeného plynu nebo vzduchu. Typické zařízení s fluidovaným polem obsahuje ohřívací pec se dvěma oddíly, oddělenými od sebe pevnou vodorovnou deskou. Horní díl je vytvořen ve formě podlouhlé nádoby tvaru U, ve které jsou uloženy částice inertního písku, například z oxidu křemičitého, oxidu hlinitého, oxidu zirkoničitého a podobně, které se fluidují a současně ohřívají proudem horkého plynu, procházejícího vodorovným deskovým dnem, které je opatřeno pro tento účel soustavou otvorů nebo je vytvořeno z pórovitého keramického materiálu, například z asbestových listů nebo z keramické desky. Spodní oddíl pod dělicí deskou, opatřený zmíněnými úpravami pro rozvod plynu, tvoří zásobní komoru pro plyn udržovaný pod tlakem, který potom proniká otvory nebo póry v dělicí desce do horního oddílu, kde uvádí částice do vznosu. Fluidovaná zrnitá látka, tvořená tuhými částicemi suspendovaným ve fluidizačním plynu proudícím potřebnou rychlostí, zejména rychlostí od 8 do 15 cm.s'¹ pro střední velikost zrnitých

- I CZ 281967 B6 částic od 150 do 500 pm, se chová téměř stejně jako tekutá látka pro přenos tepla a má zvýšený součinitel přenosu tepla, který má hodnotu ležící mezi hodnotami platnými pro chladicí vzduch a roztavené olovo.

Bylo však zjištěno, že mechanické vlastnosti a mikrostruktura drátů zpracovávaných v takovém fluidizačním zařízení jsou stále ještě značně horší než hodnoty získané v zařízení pro úpravu drátů zpracovávaných v lázni roztaveného olova. Při zpracování v tomto zařízení se vyskytuje podstatně větší rozsah odchylek od ideální jemné perlitické struktury a v drátech se objevuje významný podíl hrubého perlitu a bainitu. Tyto problémy jsou přičítány nižším hodnotám tepelné kapacity a přenosu tepla dosahovaným u fluidovaného lože v porovnání s lázní z roztaveného olova, což má za následek nižší rychlost ochlazování a nevytvoření podmínek pro izotermickou transformaci.

Pro odstranění těchto problémů při zpracování tyčí nebo drátů s větším průměrem než 2,5 mm bylo navrženo u řešení podle US-PS 3 615 083 použití způsobu tepelného zpracování drátů v patentovací operaci, při kterém se austenizované dráty rychle ochlazují v první oblasti fluidovaného lože a potom se dopravují do druhé oblasti fluidovaného lože, kde probíhá transformace materiálu, přičemž první oblast fluidovaného lože je fluidizována fluidačním plynem a také druhá oblast fluidovaného lože je fluidizována jiným fluidačním plynem. Teplota obou oblastí fluidovaného lože je řízena nezávisle na sobě a obě tyto oblasti jsou fluidizovány přívody dvou plynů, regulovanými samostatně. Zkouškami se ovšem prokázalo, že postup podle tohoto spisu nezajišťuje potřebné zvýšení kvality materiálu, zejména u drátů s průměrem menším než 3 mm, zejména menším než 0,7 až 1,5 mm.

V současné době se dospělo k názoru, že problémy spojené s postupy využívajícími fluidovaného lože nesouvisejí ani tak s rychlostí ochlazování jako spíše s obtížností volby teploty fluidovaného lože, která by představovala přijatelný kompromis mezi ochlazováním a prohříváním při zvýšené teplotě.

V průběhu prohřívací fáze by měla probíhat v podstatě izotermická transformace materiálu. Tato transformace je však exotermická a tak má teplota zpracovávaného drátu sklon ke zvyšování. Při použití olověné lázně s vysokou tepelnou kapacitou může být teplota udržena na téměř konstantní úrovni, avšak při použití obvyklého fluidovaného lože je nutno počítat s výrazným zvýšením teploty, což může vést k vytváření hrubé perlitické struktury materiálu. Na druhé straně výrazné ochlazení před vyrovnáním teplot na zvýšených teplotních hodnotách může podpořit počáteční tvorbu nežádoucí struktury materiálu, například bainitu.

Pásmo teplot, nad kterými je možno dosáhnout vytvoření jemné perlitické struktury, je poměrně úzké a pro optimální mikrostruktury je ještě užší. V obvyklých ohřívaných fluidovaných ložích, užívaných ke zpracování drátů, se může kolísání teplot pohybovat v rozsahu těchto teplotních pásem neboje může na obě strany přesahovat. Nastaví-li se teplota fluidovaného lože dostatečně nízko, aby byla prohřívací teplota přijatelná s přihlédnutím k exotermické povaze materiálové transformace, může vzniknout nebezpečí přílišného ochlazení při chladicí operaci a tím možnost vzniku bainitu. Při zvýšení nastavené teploty lože zase vzniká nebezpečí přehřátí materiálu v průběhu transformace, při kterém vzniká nežádoucí hrubá perlitická struktura.

Postup popsaný v US-PS 3 615 083 tyto problémy neřeší, protože i když je v tomto spisu navrženo použití dvou fluidovaných loží, může při provádění tohoto způsobu docházet k přílišnému ochlazení, zejména při zpracování tenkých drátů.

Úkolem vynálezu je proto vyřešit alespoň některé z uvedených technických problémů, projevujících se při známých způsobech zpracování drátů a profilových prutů, používajících fluidovaných loží.

-2 CZ 281967 B6

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen způsobem tepelného zpracování ocelových drátů podle vynálezu, při kterém se austenitizované ocelové dráty ochlazují v prvním pásmu fluidovaného lože a převedou 5 se do druhého pásma fluidovaného lože, ve kterém proběhne transformace, přičemž první pásmo fluidovaného lože se fluiduje fluidizačním plynem a druhé pásmo fluidovaného lože se fluiduje dalším fluidizačním plynem a teploty obou pásem fluidovaného lože se regulují nezávisle na sobě samostatně regulovanými zdroji plynu, podstata vynálezu spočívá v tom, že teplota druhého pásma fluidovaného lože se reguluje v jeho jednotlivých úsecích samostatnými a na sobě 10 nezávislými topnými prvky, příslušnými pro každý úsek délky druhého pásma fluidovaného lože.

Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se teploty jednotlivých úseků regulují pro vytvoření teplotního gradientu podél druhého pásma fluidovaného lože a vytvořeným teplotním gradientem se vyvolá začátek transformace při první teplotě a její pokračování při další vyšší 15 teplotě, přičemž transformace při druhé teplotě začíná po proběhnutí 10 až 20 % celkové transformace.

V konkrétním výhodném provedení způsobu podle vynálezu se austenitický drát po rychlém podchlazení rychle ohřeje na teplotu potřebnou pro transformaci. Teplota prvního pásma 20 fluidovaného lože se reguluje alespoň zčásti pomocným ochlazovacím ústrojím, přičemž první pásmo fluidovaného lože se jednak plynule ochlazuje prvním ochlazovacím ústrojím a jednak se podle potřeby ochlazuje s variabilní intenzitou chlazení pomocným chladicím ústrojím.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu se první pásmo fluidovaného lože fluidizuje 25 pomocí neoxidačních výstupních plynů z austenizační pece, přičemž tyto výstupní plyny, mající obsah kyslíku nejvýše 2 % objemová, se před vstupem do prvního pásma fluidovaného lože ochlazují a/nebo zahřívají pomocnými ústrojími. Pro další udržování neoxidačních podmínek se používá výstupních plynů obsahujících zbytkový podíl oxidu uhelnatého v objemovém množství od 0,5 do 2 %.

Podstata vynálezu u zařízení k provádění uvedeného způsobu tepelného zpracování drátů spočívá v tom, že druhé pásmo fluidovaného lože je rozděleno na oddělené úseky, opatřené samostatně ovládanými ohřívacími prvky a první pásmo fluidovaného lože je opatřeno stabilně nastaveným ochlazovacím ústrojím a přídavným ochlazovacím ústrojím opatřeným regulačním ústrojím pro 35 nastavení intenzity ochlazování, obsahujícím zejména dmychadlo a regulační ventil.

Ve výhodném provedení zařízení podle vynálezu je první pásmo fluidovaného lože opatřeno propojovacím kanálkem s austenitizační pecí pro přívod jejích výstupních plynů, ve kterém je před vstupem do prvního pásma fluidovaného lože umístěn rekuperátor a pomocný ohřívač 40 plynu. V prvním pásmu a v druhém pásmu fluidovaného lože jsou vytvořeny průchozí kanálky pro postupné přivádění plynů do prvního pásma a druhého pásma fluidovaného lože, opatřené výměníky pro regulací teplot procházejících plynů.

Výhoda řešení podle vynálezu spočívá v tom, že není nutno hledat kompromis mezi 45 ochlazovacími a transformačními procesy. Teplota uvnitř druhého pásma fluidovaného lože může být nastavena v jeho jednotlivých částech podle okamžité potřeby a dosažení potřebné mikrostruktury materiálu je možno zajistit regulovaným přívodem tepla do jednotlivých úseků druhého pásma fluidovaného lože, aniž by se rušivě projevovaly ochlazovací účinky působící v prvním pásmu fluidovaného lože.

Přívodem ohřátého fluidizačního plynu v prvním pásmu se zajistí takový přívod tepla, který společně s teplem obsaženým ve zpracovávaných drátech zamezí poklesu teploty drátu pod kritickou úroveň, při které dochází k tvorbě bainitu. To je zvláště výhodné při zpracování tenkých drátů, kdy není v drátu obsaženo takové množství tepla jako v tlustých drátech. Obecně

-3 CZ 281967 B6 je požadován vznik lamelámí struktury, přičemž v tom případě je nutno zajistit, aby se teplota nezvýšila na úroveň, při které vznikají hrubé perlitické struktury na úkor jemné perlitické struktury. Toho je možno dosáhnout opatřením druhého pásma fluidovaného pole topnými prvky, které jsou samostatně regulované. Tím se může dosáhnout rovnovážného stavu mezi přívodem tepla a ochlazováním a snadného udržování žádané teploty.

Ochlazovací prostředky jsou tvořeny chladicími trubkami, uloženými ve fluidovaném loži, kterými proudí voda stálou nebo regulovanou rychlostí, popřípadě regulovatelnou sprchou nebo nejvýhodněji vzduchovým chladicím ústrojím, působícím na povrch fluidovaného lože.

V mnohých případech budou teploty obou pásem jen málo od sebe odlišné při nezávislé regulaci množství přiváděného tepla, která má reagovat na vliv odlišných provozních podmínek a požadavků. Zlepšená regulace podmínek v druhém pásmu dovoluje udržovat zvyšování teploty v mnohem užších mezích, což dále zlepšuje kvalitu získané mikrostruktury materiálu. Tímto řešením je tedy do značné míry vyřešen další problém spojený s využíváním fluidovaného lože, takže společně s lepšími možnostmi regulace chlazení zpracovávaných drátů a počátečních podmínek transformace materiálu jsou dosažena další významná zlepšení.

Dvě pásma fluidovaného lože mohou být opatřena dvěma oddělnými fluidovanými loži a nezávisle řízenou fluidizací. Alternativně může být jedno fluidovavané lože rozděleno na dvě pásma. V případě, že obě tato pásma budou fluidována jediným zdrojem horkého plynu, alespoň jedno pásmo by mělo být opatřeno nezávisle řízenými pomocnými ohřívacími a/nebo chladicími prostředky. Ochlazovací pásmo by tak mělo být opatřeno chladicími prostředky a/nebo ohřívací pásmo by mělo být opatřeno ohřívacími prostředky v závislosti na základní teplotě horkého plynu.

Při praktických zkouškách způsobu podle vynálezu bylo zjištěno, že v ohřívacím pásmu se mohou při zlepšených provozních podmínkách, dosažených úpravou podle vynálezu, vyskytovat odchylky od ideální teploty, způsobované například exotermickou povahou transformace. Tato kolísání mohou být korigována rozdělením ohřívacího pásma na několik samostatných úseků s přídavnými ohřívacím a/nebo ochlazovacími prvky, které jsou ovládány nezávisle na sobě.

Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu může mít také širší využití, což je umožněno opatřením zařízení nezávisle ovládanými pomocnými ohřívacími a/nebo ochlazovacími ústrojími pro regulování teploty jednotlivých pásem fluidovaného lože.

U dvoupásmového fluidovaného lože, používaného například k provádění patentovacího postupu popsaného v předchozí části, nemusí být obecně v prohřívacím úseku umístěna chladicí ústrojí, ale přídavná ohřívací ústrojí jsou v tomto úseku výhodná. Těmito přídavnými ohřívacími ústrojími jsou výhodně elektrické odporové topné prvky, které jsou uloženy uvnitř jednotlivých úseků fluidovaného lože. Ohřívací ústrojí mohu být tvořena také jinými topnými prvky, například vyzařovacími topnými trubkami. Při tomto provedení zařízení podle vynálezu je základní zahřívání fluidovaného lože fluidačním plynem nastaveno na poměrně nízkou hodnotu, takže počáteční teplota lože je nízká, a přídavná ohřívací ústrojí se starají o uvedení lože na požadovanou teplotu.

Ve všech konkrétních provedeních zařízení podle vynálezu může být regulace teploty fluidizačního plynu v každém pásmu uskutečňována pomocí chudé nebo velmi chudé spalovací směsi, směsi chladicího vzduchu se spalovacím plynem nebo regulovaným výměníkem tepla, umístěným mezi přetlakovým prostorem a spalovacím ústrojím.

Opatřením ohřívacího pásma fluidovaného lože v jeho podélném směru řadou od sebe oddělných oddílů, ve kterých probíhá přenos tepla a řízení procesu, je možno v každém místě zařízení přizpůsobit energetickou rovnováhu, která je výsledkem pracovní tepelné zátěže, z přívodu tepla

-4CZ 281967 B6 při primární fluidizaci a z pomocných ohřívacích jednotek a z ochlazování a z tepelných ztrát do okolí, takže je možno dosáhnout v každém okamžiku přesnějšího nastavení teploty lože ve všech jeho místech, přičemž tato teplota může být udržována konstantní v celé délce ohřívacího pásma lože nebo může být naprogramována pro nastavování a udržování předem určeného průběhu teplot od vstupu do ohřívacího pásma až k jeho výstupu.

I když jsou způsob a zařízení podle vynálezu ve svých konkrétních výhodných provedeních určeny pro zpracovávání kovových předmětů patentováním s využitím konvenčních ochlazovacích a ohřívacích teplot, poskytuje řešení podle vynálezu i další možnosti. Jednou z těchto možností je tak zvané krokové patentování, při kterém je ochlazovací teplota nižší a má hodnotu například 400 °C, ale vždy je nad teplotou Ms, kdy se začíná tvořit martenzit, načež následuje rychlý ohřev na zvolenou transformační teplotu. Další možností je gradientní patentování s následnou transformací v průběhu zvoleného teplotního gradientu pomocí řízení teplot v jednotlivých pásmech fluidovaného lože. Zařízení podle vynálezu může být rovněž využíváno v jiných procesech, například při tvorbě martensitu a jeho následném temperování pro vytvoření tvrdých struktur oceli. Při těchto procesech je teplota prudkého ochlazování pod teplotou Ms. Dalšími procesy, u kterých je možno využít způsobu podle vynálezu je vylučovací vytvrzování, kalicí ochlazování a podobně.

Při gradientním patentování dochází k perlitické reakci při nižších teplotách, například při 540 °C až 560 °C, a pokračuje až do požadovaného stupně. Tím se vyvolá tvorba jemného sorbitu. Potom se například po 10 až 20% transformaci zbývající austenit rozloží při vyšší teplotě, například při teplotě 600 °C až 650 °C nebo i vyšší. Rychlost růstu cementitu je tak výrazně menší, takže mohou vznikat jemnější struktury materiálu s malými interlamelámími vzdálenostmi bez růstových defektů, obklopených jemnou perlitickou strukturou zreagovanou izotermicky při vyšších rychlostech, to znamená při stálých nižších teplotách.

Dráty vyrobené tímto způsobem mají zlepšené tažnostní i pevnostní vlastnosti. Způsob a zařízení podle vynálezu, využívající fluidovaného lože, umožňují výběr výhodné křivky určující závislost transformace na ochlazování v grafu uvádějícím závislost transformace na teplotě a čase nebo provádění patentovacího zpracování podle specifické křivky, například pro dosažení zvláštních účinků nebo zvláštních vlastností drátů. To je známo již u běžně používaných zařízení s fluidovaným ložem nebo s lázní roztaveného olova.

Jednou z možností pro dosažení lepších výsledků je využití výhody exotermického charakteru reakce pro vytvoření rovnoměrné perlitické struktury s většími než obvyklými interlamelámími vzdálenostmi. Reakce by přitom mohla začít probíhat při 580 °C až 600 °C a v drátech mohla narůstat teplota v důsledku vývoje transformačního tepla o 60 °C až 80 °C. I když je po tomto zpracování na jedné straně pevnost drátu o něco nižší, na druhé straně se výrazně zlepšují deformační vlastnosti drátu.

Další problém současného stavu, související s ochlazováním ocelových drátů ve fluidním loži pomocí studeného vzduchu a spočívající v oxidaci povrchu drátů, při které vznikají nežádoucí šupinovité okuje, je vyřešen použitím plynu, při kterém nedochází k oxidaci a kterým se jak fluidizuje, tak podle potřeby ohřívá ochlazovací pásmo. Z tohoto hlediska se dalších výhod u způsobu tepelného zpracování oceli, při které se ocelové předměty přicházející z austenitizační pece prudce ochlazují ve fluidní loži, dosahuje tím, že lože je fluidizováno výstupními plyny z austenitizační pece. Zařízení podle vynálezu je proto bezprostředně napojeno na fluidizační pec a je opatřeno ústrojími pro přívod výstupních plynů z této pece do lože, aby se dosáhlo jeho fluidizace.

Tento způsob a zařízení mohou být výhodně využity i v jiných oblastech techniky, ale jejich využití pro patentovací proces je nejvýhodnější.

Jsou-li použita dvě pásma fluidovaného lože, mohou výstupní plyny procházet oběma těmito pásmy, buď aby uváděly do fluidního stavu jedno lože rozdělené na několik pásem, nebo aby byly vedeny dvěma samostatnými loži. V tomto druhém případě mohou plyny procházet oběma loži postupně.

Výstupní plyny mají obsah kyslíku v objemovém množství menší než 5 %, zejména menší než 2 %, přičemž nejvýhodněji by neměl být obsah kyslíku vyšší než 0,5 %, a obsah oxidu uhelnatého by se měl v objemovém množství pohybovat nad 0,1 % a zejména by měl být v rozsahu od 0,5 do 2,0 %. Je možno použít také jiných druhů plynů, které nemají oxidační účinky a které nemusí být získávány z austenitizační pece.

Horké výstupní plyny jsou výhodně předem ochlazovány v rekuperátoru, například v boileru na využití odpadního tepla, na teplotu nepřesahující 150 °C a následně se ohřejí na požadovanou vstupní teplotu například pomocí baterie regulovatelných elektrických topných tělísek. Vstupní teplota se může měnit v rozsahu od 100 °-150 °C do 450-500 °C v závislosti na provozním stavu, například v závislosti na nejvyšší teplotě požadované na začátku procesu, a na průměru drátu.

U zařízení podle vynálezu je také výhodné, že stanice pro přípravu fluídizačního plynu je umístěna mimo plášť obsahující fluidované lože. Místo konvenční konstrukce pece s tuhou nosnou konstrukcí a pevnou vyzdívkou, spojenou s nosnou konstrukcí ocelovými spojovacími prvky je výhodně využito u řešení podle vynálezu modulové a stavebnicové konstrukce, i když tato volba není podstatná pro dosažení předpokládaných účinků. Jednotlivé moduly jsou vytvořeny ve formě dvoukomorové kovové konstrukce obsahující otevřenou nádobu pro uložení částic lože a pod ní umístěnou přetlakovou komoru, oddělenou od nádoby rozdělovači deskou s otvory a/nebo tryskami pro přívod fluídizačního plynu, přičemž modulové konstrukcí části jsou sdruženy do jednodílné konstrukce. Tento modulový konstrukční princip, ze kterého jsou vyloučeny hořáky, je také výhodný z hlediska využití i údržby a také snadnější montáže jednotlivých pásmových modulů do plášťové konstrukce, protože v případě potřeby se může příslušný modul vyjmout z hlavního rámu a opravit nebo nahradit novým modulem.

Prohřívací pásmo pro vyrovnávání vnitřních teplot v drátu může být tvořeno jedním modulem s fluidovaným ložem a s potřebnou délkou nebo může sestávat z většího počtu kratších modulů navazujících na sebe, takže při tomto konstrukčním provedení je možno délku prohřívacího pásma podle potřeby měnit. Přívod fluídizačního plynu do prohřívacího pásma, vytvořeného z jednoho nebo několika modulů, může být zajištěna centrálním vstupem napojeným na stanici pro dodávání prohřívacího plynu a připojeným na společné přetlakové potrubí, probíhající pod připojenými přetlakovými komorami.

U zařízení podle vynálezu se také podařilo odstranit nedostatky dosud známých konstrukcí opatřených vnitřními hořáky, u kterých měly části zařízení, méně odolné proti přímému působení tepla z plamene, a pevné spoje mezi kovovými částmi nosné konstrukce a vnitřní žárovzdomou vyzdívkou z materiálu zcela jiného charakteru, kratší životnost a vyžadovaly kvůli častějšímu výskytu závad nákladné opravy, spojené s výpadky výroby.

Každé pásmo je vybaveno svým vlastním fluidizačním systémem a integrovaným systémem pro řízení teplot, takže samostatné chladicí pásmo a prohřívací pásmo je fluidizováno samostatně pomocí vhodných směsí plynů připravených pro každé pásmo mimo prostor zařízení a majících nastavenou základní teplotu, přičemž zařízení je také opatřeno nezávislou regulací množství dodávaného tepla a nezávislým řídicím ústrojím pro regulaci teploty lože. Takový integrovaný systém pro každé pásmo je v praxi účinný zejména při zahajování i při dalším provozu pracovní linky s fluidovaným ložem. Tím je umožněno použití vhodné směsi plynů pro každé pásmo a zejména neoxidačních plynů v chladicím pásmu pro plynulé chlazení horkých drátů. Je možné také plynulé postupné přizpůsobení vstupní teploty od zahajovacího stavu až do ustáleného chodu na specifickou základní teplotu, vybranou podle druhu drátu a provozních podmínek, jak

-6CZ 281967 B6 je to vyžadováno pro jednotlivá pásma, přičemž základní teplota uvnitř fluidovaného lože je pomocí konkrétního provedení zařízení podle vynálezu přesněji přizpůsobena podmínkám pomocí sekundárních regulačních ústrojí, umístěných v ochlazovacím pásmu a v prohřívacím pásmu. Protože zařízení podle vynálezu není opatřeno hořáky, působícími přímo ve fluidovaném loži, jsou výrazně omezeny škody způsobené přímým působením tepla z hořáků a k opravovaným částem je snadnější přístup a také náhrada částí modulové konstrukce se provádí snáze.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. Ia podélný řez zařízením k tepelnému zpracování drátu, opatřeným lázní roztaveného olova, obr. lb graf zobrazující průběh ochlazování a transformace drátu v zařízení s lázní roztaveného olova, obr. 2a podélný řez známým zařízením pro patentování drátu, opatřeným fluidovaným ložem, obr. 2b graf zobrazující průběh ochlazování a transformace drátu ve známém zařízení s fluidovaným ložem, obr. 3 diagramové znázornění vztahů mezi grafem teplota-čas-transformace (T.T.T.) a křivkou zobrazující průběh chlazení-transformace u patentovaného drátu z uhlíkové oceli, zpracovávaného v olověné lázni a v konvenčním fluidovaném loži, obr. 4a a 4b podélné řezy prvním a druhým příkladným provedením zařízení s fluidním ložem podle vynálezu, obr. 5a podélný řez třetím příkladným provedením zařízení podle vynálezu, obr. 5b graf zobrazující průběh patentovacích křivek dosažitelných u třetího příkladného provedení zařízení, obr. 6 podélný řez zařízením podle vynálezu, zobrazující další konstrukční detaily, obr. 7 graf zobrazující křivkami průběh ochlazování a transformace, dosažitelný patentovacím procesem s fluidovaným ložem, obr. 8 podélný řez zařízením, zobrazující jeho další konstrukční detaily, obr. 9a a 9b grafy zobrazující kolísání pevnosti patentovaných drátů, zpracovaných jednak v roztaveném olovu a jednak ve fluidovaném loži, a obr. 10 graf obsahující skupinu speciálně vybraných patentovacích křivek, získaných při zpracování ve fluidovaném loži.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. laje zobrazeno patentovací zařízení s lázní roztaveného olova Pb a na obr. 2a je pro srovnání znázorněno dosud používané patentovací zařízení s fluidovaným ložem, přičemž u příkladu podle obr. Ia je drát W po zahřátí v austenitizační peci 1 přiváděn do lázně T_

-7CZ 281967 B6 roztaveného olova, zatímco u dosud známého zařízení podle obr. 2a je drát W veden jednopásmovým fluidovaným ložem, udržovaným na stálé teplotě neznázoměnými regulačními ústrojími.

Na obr. lb a 2b je zobrazeno srovnání účinnosti obou těchto zařízení podle obr. Ia a 2a pomocí grafů zobrazujících teploty drátu W v průběhu času, přičemž výchozí bod představuje v obou případech austenitizační teplota T₃ a cílovou hodnotu patentovací teplota T_p. Úsek T_q zobrazuje průběh teploty při prudkém ochlazování. Ze srovnání grafů na obr. lb a 2b je zřejmé, že u konvenčního zařízení s fluidovaným ložem je počáteční teplota transformace a reálný průběh transformačních teplot zobrazen křivkou Ti, přičemž šrafovaná plocha se nachází nad patentovací teplotou T_p a k perlitické reakci může docházet v širokém pásmu teplot. Teploty mají sklon k narůstání v průběhu reakce, vyvolanému kombinovaným účinkem rekalescence drátu W, to znamená uvolňováním tepla při transformaci, a nižším přenosem tepla do fluidního lože, které má také nižší tepelnou kapacitu.

Na obr. 3 jsou zobrazeny chladicí a transformační křivky FB, dosahované při tepelném zpracování kovových výrobků v konvenčním fluidovaném loži a zobrazené v grafu zobrazujícím transformaci v průběhu času a v závislosti na teplotě, a jejich porovnání s křivkami Pb dosahovanými při zpracování drátu W v olověné lázni. Čárkovanými čarami zobrazené křivky (TR)0, (TR)IOO označují začátek a konec transformace austenitu a šrafovaná plocha OTB zobrazuje optimální transformační pásmo pro získání optimální perlitické struktury. Je třeba připomenout, že při konvenčním tepelném zpracování drátu W ve fluidovaném loži je teplota závislá na ploše OTB. Dosud známé techniky se snažily zlepšit výrobní podmínky například používáním předem ochlazené jednotky, například oblasti fluidovaného lože s přívodem chladicího vzduchu, nebo drastickým snížením ohřívací teploty fluidovaného lože, aby se dosáhlo teplotní křivky T? z obr. 2b, ovšem tato opatření jsou příliš riskantní, protože může snadno dojít v tvorbě bainitu, vyvolané ochlazení drátu W na teplotu T?, která je nižší než patentovací teplota Tp.

Na obr. 4a je schematicky zobrazeno základní příkladné provedení zařízení podle vynálezu. Toto zařízení sestává z austenitizační pece 1 a z vlastního dvoupásmového zařízení 2 podle vynálezu s fluidovaným ložem, které sestává ze samostatného ochlazovacího prvního pásma O a z prohřívacího a transformačního druhého pásma TR-S. Obě tato pásma O, TR-S obsahují modulovou soustavu 3 tvořenou nádobu 4 pro částice, přetlakovou komoru 5, rozdělovači desku 6 pro rovnoměrné rozdělování plynu, například perforovanou desku, která je umístěna mezi dnem nádoby 4 pro částice a horní částí přetlakové komory 5, a přívodním potrubím 5’ plynu, vyústěným do dna přetlakové komory 5. Každá modulová jednotka 3 je spojena spojovacím potrubím 8, které je zejména demontovatelné, s přívodní stanicí 7 pro přívod fluidizačního plynu, která není podrobněji zobrazena, ve které se připravuje fluidizační plyn zejména v požadovaném množství, s požadovaným složením a s regulovanou základní teplotou. Tato základní teplota je určena pro každé pásmo podle druhu drátu W a zvoleného procesu a je regulována v průběhu procesu podle převažujících podmínek v loži, například podle toho, zda se jedná o počáteční nebo průběžný stav, zda se zpracovávají dráty W jiného průměru a podobně. Vnější přívodní stanice 7 pro přívod plynu může být opatřena vyvíječi plynu, vhodnými hořáky pro přívod zejména chudé spalovací směsi, ohřívacími jednotkami pro ohřívání ofukovacího vzduchu a kombinacemi těchto ústrojí. První pásmo Q je odděleno od druhého pásma TR-S fluidovaného lože tepelně izolační stěnou, opatřenou otvory pro umožnění průchodu drátů W. Zařízení podle vynálezu je upraveno pro současnou tepelnou úpravu skupiny drátů, vedených po přímých a vzájemně rovnoběžných drahách, přičemž z austenitizační pece 1 do ochlazovacího prvního pásma Q dráty procházejí ochranným krytem.

Na obr. 4b je zobrazeno alternativní příkladné provedení dvoupásmového fluidovaného lože, ve kterém je výstupní plyn z austenitizační pece 1 využit pro fluidizaci nejprve prohřívacího pásma a potom chladicího pásma (nebo naopak při použití předem ochlazených pecních výfukových

-8CZ 281967 B6 plynů). V takovém případě se výfukový plyn z austenitizační pece 1 vede přívodním potrubím 8 do zařízení 2 s fluidovaným ložem pomocí odběrového dmychadla T_. Nastavení základní teploty plynu před jeho vstupem do ochlazovacích a prohřívacích modulů se provádí pomocí jednotlivých vhodných výměníků 10, 10’ tepla, umístěných na vstupu každého pásma.

Obr. 5a zobrazuje zvláště výhodné příkladné provedení. V tomto příkladu je zobrazena plynem vytápěná austenitizační pec 1 a zařízení 2 s fluidovaným ložem podle vynálezu, obsahujícím ochlazovací první pásmo Q a prohřívací druhé pásmo TR-S, kde ochlazovací první pásmo Q je fluidizováno výfukovým plynem, který je neoxidačním plynem a který je přiváděn přívodním potrubím 8, zatímco prohřívací druhé pásmo TR-S je zásobováno z přívodní stanice 7 nezávislým generátorem plynu, například spalovacím ústrojím s hořákem. V tomto příkladu je fluidizační základní teplota na vstupu do ochlazovacího prvního pásma Q řízena zejména následovně. Nejprve se odebíraný výfukový plyn předběžně ochladí zejména na teplotu pod 150 °C v rekuperátoru 11 pro získávání pecního tepla a potom se dopravuje do regulovatelného výměníku 12 tepla, například do elektrického ohřívače plynu, pro nastavení skutečné teploty plynu na okamžitě potřebnou vstupní hodnotu teploty, která se může měnit podle momentálně převažujících tepelných podmínek uvnitř ochlazovacího prvního pásma O, závislých na provozním režimu, přívodu tepla z horkých drátů, rychlosti průchodu drátu a podobně. Primární nastavení vstupní teploty ochlazovacího plynu je doplněno sekundárním řídicím systémem pro přesné nastavení teploty uvnitř ochlazovacího lože pro udržování jakékoliv požadované hodnoty. V praxi pracuje sekundární řídicí systém pouze po úplném vytvoření pracovních podmínek, to znamená v době, kdy není nutný přídavný přívod tepla z fluidizačního plynu a kdy se může předehřívací baterie vypnout. Tato situace bude ještě podrobněji popsána v další části.

Prohřívací druhé pásmo TR-S pro vyrovnávání teploty je fluidizováno a zahříváno horkým plynem přiváděným z přívodní stanice 7, opatřené například hořákem, ze které se přivádí směs plynných spalin s nastavenou základní teplotou do modulu prohřívacího druhého pásma TR-S. Vstupní teplota plynu, potřebná pro zahřívání prohřívacího druhého pásma TR-S na konstantní průměrnou teplotu, je automaticky regulována v závislosti na skutečné tepelné rovnováze prohřívacího druhého pásma TR-S, ovlivňované pracovním zatížením, rekalescencí, tepelnými ztrátami a podobně.

Jak ochlazovací první pásmo O, tak i prohřívací druhé pásmo TR-S se individuálně fluidizuje, popřípadě se zahřívá nebo se v něm reguluje teplota takovým způsobem, aby se udržovala konstantní teplota, která je charakteristická pro každé pásmo a která je upravována podle druhu drátů W a podle požadovaných vlastností, získávaných prováděným procesem. Například při patentování drátů se může vnitřní teplota chladicího lože měnit v rozsahu od 250 °C do 600 °C pro dosažení teploty drátu mezi hodnotou pro měkké dráty a danou teplotou pro perlitickou reakci, zatímco v prohřívacím loži pro vyrovnávání teploty mohou být teploty voleny v rozsahu od 450 °C do 700 °C pro dosažení perlitické struktury s proměnlivou jemností.

Obr. 5b zobrazuje v grafu skupinu křivek FB-IN zobrazujících průběh ochlazování a transformace a získávaných při patentování drátu pomocí způsobu a zařízení podle vynálezu, přičemž v tomto grafu je možno srovnávat průběh těchto křivek s křivkami FB-PA, které obsahují výsledky dosahované u dosud známých zařízení pro patentování drátů ve fluidovaném loži. Z tohoto diagramu je zřejmé, že křivky FB-IN odpovídají mnohem přesněji řízenému patentovacímu postupu než bylo možné při známém způsobu a mají mnohem lepší nastavení ochlazování drátu a počátečních podmínek transformace v kombinaci s mnohem přesnějším řízením teploty perlitické reakce.

Místní teplota lože může mít v jistých místech sklon ke stoupání nad optimální úroveň při určitém stupni transformace v důsledku již zmíněného rekalescenčního účinku, spočívajícím v uvolňování transformačního tepla. Pomocí experimentů bylo zjištěno, že stupeň rekalascence a místo výskytu jeho špičkového teplotního účinku v prohřívacím druhém pásmu TR-S se mohou

-9CZ 281967 B6 měnit v závislosti na průměru drátů, rychlosti jejich vedení ložem a na zvolené transformační křivce.

Výhodné příkladné provedení zařízení podle vynálezu je proto opatřeno v modulu prohřívacího druhého pásma TR-S pomocnými ohřívacími prvky a teplotními čidly, které jsou sdruženy do skupin a v nich jsou samostatně ovládány, přičemž tyto prvky a čidla pokiývají celou délku transformační a prohřívací zóny. Skupiny prvků jsou regulovány v jednotlivých modulech nezávisle pro korekci teploty v jednotlivých úseků prohřívacího druhého pásma TR-S v kombinaci s řízením dodávky primárního fluidizačního tepla. Pro vyřešení problému spojeného s 10 nestejnými tepelnými ztrátami při proměnlivém uvolňování transformačního tepla je průměrný přívod tepla rozdělen na primární frakci a na sekundární frakci, přičemž velikost primární frakce je zvolena libovolně pod hodnotou konstantního přívodu provozního tepla. Při tomto řešení přídavná ohřívací ústrojí nejen dodávají potřebnou energii pro kompenzaci nadměrných místních poklesů teplot, ale dodávají také část primární tepelné energie. Výsledkem může být zamezení 15 místního přehřátí lože v důsledku rekalescenční špičky, která může překročit průměrné tepelné ztráty lože, bez nepříznivého ovlivnění sousedních transformačních oblastí. Další výhoda tohoto opatření spočívá v možnosti dosažení programovaná perlitické reakce, například v operacích s různými úrovněmi teplot a s různými rychlostmi reakce. To má několik praktických výhod spočívajících ve zvýšení flexibility provádění patentovací reakce přímo na cílové oblasti, která je 20 vyšší než u patentování pomocí lože obsahujícího roztavené olovo, a v možnosti řízení patentovací reakce nad obvykle akceptovanými chladicími a transformačními křivkami při dosažení lepší produktivity zařízení podle vynálezu zejména z hlediska kratšího zahajovacího režimu a rychlejšího přechodu na požadovaný provozní režim.

Obr. 6 znázorňuje, jak může být v průběhu transformace nastavena optimální teplota reakce na hodnoty potřebné pro zpracování určitého drátu W. Pro tento účel je v tomto příkladném provedení rozděleno prohřívací druhé pásmo TR-S do čtyř úseků 13, z nichž každý obsahuje sadu jednotlivých ohřívacích prvků 14 uvnitř fluidovaného lože, teplotní čidlo 16 a regulační ústrojí 17 pro regulaci teploty, spojené s řídicím panelem 15. Ohřívací prvky 14 jsou udržovány 30 na základním výkonu pro udržování prohřívacího druhého pásma TR-S na požadované teplotě v kombinaci s přívodem tepla z horkého fluidizačního plynu, dodávaného ze stanice pro přípravu plynu k prohřívání lože v druhém pásmu TR-S. U ohřívacích prvků 14 je dále ovládáno zvyšování nebo snižování jejich výkonu, jestliže lokální teplota lože poklesne pod nastavenou prohřívací teplotu nebo se nad nastavenou hodnotu zvýší. Stanice pro ohřívání a dodávání 35 fluidizačního plynuje umístěna mimo hlavní skříň zařízení a je v podstatě vybavena spalovacím zařízením pro přípravu směsi spalin v potřebném množství, při potřebné teplotě a tlaku. Tato stanice obsahuje spalovací komoru 20 a plynový hořák 21, napojený na přívod zejména plynového paliva 23, například zemního plynu, a přívod stlačeného vzduchu 22 z dmychadla 7. Informace o vstupní teplotě plynu na vstupu do zařízení je dopravena vedením 18 na řídicí panel 40 15. Plyn pro ochlazovací první pásmo O, kterým je například předchlazený plyn z pece, prochází výměníkem 12 tepla nebo ohřívacím tělesem, kde se ohřívá.

Obr. 7 znázorňuje graficky účinek přídavné regulace teploty v oblasti prohřívacího druhého pásma TR-S pomocí křivek informujících a průběhu transformace v diagramu teplota-čas45 transformace. Jak je patro z tohoto diagramu, teplota transformace materiálu drátu nebo perlitická reakce se mohou vejít do optimálního pásma, vyznačeného šrafovanou plochou QTB. jak zobrazuje křivka A, okamžitou korekcí lokálních teplot prohřívacího druhého pásma TR-S, zatímco bez individuálních korekcí teplot jednotlivých úseků prohřívacího druhého pásma TR-S by křivka B probíhala do jisté míry mimo optimální transformační pásmo, což by mělo za 50 následek vznik hrubší perlitické struktury.

Obr. 8 zobrazuje podrobněji výhodné provedení zařízení podle vynálezu s využitím konstrukčních principů z obr. 6. V tomto příkladu se drát W austenitizovaný v austenitizační peci 1 táhne postupně ochlazovacím prvním pásmem Q a následným samostatným prohřívacím

- 10CZ 281967 B6 druhým pásmem TR-S zařízení 2 s fluidovaným ložem. Prohřívací druhé pásmo TR-S obsahuje skupinu úseků 13 s ponořenými pomocnými vyhřívacími prvky a příslušnými ovládacími ústrojími, zobrazenými na obr. 6, která však již nejsou na obr. 8 zobrazena, aby se nesnížila přehlednost tohoto příkladu. Spalovací vzduch pro plynový hořák 21 se zejména předehřívá a je proto dopravován dmychadlem 7 přes rekuperátor 24, umístěný ve výfuku 25 na konci prohřívacího druhého pásma TR-S.

Připravený fluidizační plyn je veden potrubím ze spalovací komory 20 do modulů prohřívacího druhého pásma TR-S. které je tvořeno kovovou konstrukcí profilu U, umístěnou ve vnitřním prostoru pece pro vytvoření fluidního lože, ve kterém jsou integrovány nádoba 4 pro uložení částic tvořících fluidní lože, přetlaková komora 5 a přívodní potrubí 5’ pro přívod plynu. Částice uložené ve vrstvě uvnitř nádoby 4 tvořené modulovou soustavou 3 jsou fluidizovány. V tomto příkladu je také zobrazeno vytvoření přetlakové komory 5 s přívodním potrubím 5’ pro přívod plynu a rozdělovači ústrojí pro rozvádění plynu po celé ploše dna nádoby 4, tvořené rozdělovači deskou 6 umístěnou mezi dnem nádoby 4 a sousedním přetlakovou komorou 5 a tvořenou zejména děrovanou deskou obsahující velký počet fluidizačních trysek 6’, umístěných v malých odstupech od sebe, například v rozmezí od 3 cm do 20 cm. Do těchto fluidizačních trysek 6’ je přiváděn plyn z přetlakové komory 5, jejíž přívodní potrubí 5’ pro přívod plynu jsou napojena na zásobovací potrubí 9 vedoucí od stanice pro přípravu fluidizačního plynu pro prohřívací druhé pásmo TR-S, obsahující například spalovací komoru 20. přičemž tato konstrukční skupina je schopna dosáhnout optimální fluidizační rychlosti a udržovat ji na požadované hodnotě rychlosti, pohybující se obvykle kolem 10 až 12 cm za sekundu, takže jsou zajištěny stabilní podmínky uvnitř fluidovaného lože. Řídicími prvky pro prohřívací lože jsou neznázoměné řídicí jednotky řídící činnost plynových hořáků 21 pro dosažení požadovaných hodnot vstupní teploty prohřívacího plynu, kterými se má zajistit primární zahřívání prohřívacího lože a udržování teploty lože na požadované hodnotě, jak bylo vysvětleno při objasňování příkladu z obr. 6. Tím se mají regulovat lokální teploty lože a zvýšit základní dodávka horkého fluidizačního plynu do prohřívacích úseků, což je zvláště výhodné při vytváření fluidovaného lože.

Ochlazovací první pásmo Q obsahuje jeden modul s fluidovaným ložem, který má stejné konstrukční vytvoření jako moduly prohřívacího druhého pásma TR-S, ale který má menší délku pohybující se mezi 50 cm a 250 cm. V principu může být ochlazovací první pásmo O fluidizováno stejným způsobem jako prohřívací druhé pásmo TR-S. to znamená pomocí plynu přiváděného ze samostatné vnější stanice se spalovacím ústrojím pro vytváření fluidizačního plynu. V tomto případě je však ochlazovací plyn získáván z výstupu austentizační pece J, vytápěné plynem. Složení výstupních plynů je upraveno pro dosažení redukčního účinku a zamezení oxidačního působení na ochlazované dráty W v průběhu ochlazování. Směs výstupních plynů, vstupující do ochlazovacího modulu, tak má obsah kyslíku v objemovém množství nejvýše 2 % a zejména nejvýše 0,1 %, aby se zpomalila nebo zcela vyloučila povrchová oxidace drátů W, přičemž směs obsahuje také malé množství oxidu uhelnatého, které se pohybuje v objemovém množství od 0,5 do 2 %, aby se zajistily podmínky znemožňující oxidaci. V tomto případě je spotřeba energie mírně zvýšená v důsledku nestechiometrického spalování v ohřívací peci.

Výfukové plyny z pece procházejí neznázoměným chladičem výstupního plynu nebo rekuperátorem, kde se teplota plynu snižuje, a jsou dopravovány extrakčním dmychadlem 8’ a jsou pak vedeny regulovatelným výměníkem 12 tepla s elektrickými ohřívacími prvky pro zajištění přívodu fluidizačního plynu do ochlazovacího prvního pásma Q při libovolné požadované vstupní teplotě. Primární ovládání je tvořeno řídicím ústrojím 34, ovládající činnost napájecí jednotky 36 předehřívacího výměníku 12 tepla v závislosti na teplotě ochlazovacího prvního pásma Q a vstupní teplotě plynu, přičemž hodnoty těchto teplot jsou přenášeny do řídicího ústrojí 34 vedeními 33. 35.

- 11 CZ 281967 B6

Zařízení je dále opatřeno ústrojími pro kontrolu lože a nastavení a udržování předem nastavené teploty uvnitř ochlazovacího prvního pásma O při konstantním průběhu provozu, kdy přívod tepla obsaženého v horkých drátech W je vyšší než schopnost ochlazovacího prvního pásma O odvádět toto přiváděné množství tepla při vypnutém předehřívacím ústrojí plynu. Tyto přídavné ochlazovací prostředky obsahují pevné chladicí prvky, například ponořené chladicí hady s chladicí vodou, a také regulovatelné chladicí prvky pro chlazení lože. Tyto regulovatelné chladicí prvky obsahují pomocné dmychadlo 28, ovládající přívod proměnlivého množství chladicího vzduchu ze zdroje 29 vzduchovým potrubím 26 na povrch ochlazovacího lože nebo do vnitřního prostoru lože. Řízený ventil 27 reguluje rychlost přívodu chladicího vzduchu a je rovněž řídicím ústrojím 34, se kterým je spojen vedením 30. Řídicí ústrojí 34 zjišťuje aktuální teplotu lože pomocí teplotního snímače 33, porovnává ji s teplotou ochlazovacího lože a současně reguluje polohu řízeného ventilu 27 v přívodu chladicího vzduchu. V alternativním provedení je možno použít regulovatelného chlazení vodou, obsahujícího tepelné výměníkové trubky s tlakovou vodou nebo vodou na bodu varu, umístěné uvnitř vrstvy částic, přičemž také v tomto případě je množství přiváděné vody regulováno pomocí řízeného regulačního ventilu.

Při patentování drátů z uhlíkových ocelí se ochlazovací první pásmo Q nastaví a udržuje na teplotě v rozsahu od 250 °C do 650 °C, zejména od 350 °C do 550 °C pro ochlazovací délku od 0,5 m do 2,5 m, přičemž teplota prohřívacího druhého pásma TR-S se nastaví v rozsahu od 450 °C do 700 °C, zejména od 500 °C do 650 °C.

Řízení různých topných a chladicích ústrojí, uvedených v předchozí části popisu, se provádí zejména automaticky.

Vynález bude ještě podrobněji objasněn pomocí příkladů provádění způsobu podle vynálezu.

Příklad 1

Ocelové dráty s průměrem 1,5 mm a hmotnostním obsahem uhlíku C 0,71 % byly zpracovány v různých zařízeních s fluidovaným ložem a byly porovnány s dráty zpracovávanými v lázni roztaveného olova. Austenitizační teploty a rychlost posuvu drátů byly ve všech případech stejné, to znamená teplota 920 °C a rychlost posuvu 24 m/min.

Při těchto zkouškách byly použity dva typy zařízení s fluidovanými loži:

FBI: konvenční zařízení s fluidovaným ložem tvořícím jedno ponořovací pásmo s nastavenou teplotou Tfb ⁼ 560 °C.

FB2: zařízení s fluidovaným ložem podle vynálezu, rozděleným na samostatné ochlazovací první pásmo a prohřívací druhé pásmo a obsahujícím individuální fluidizační ústrojí a kontrolní prvky pro obě pásma. Teploty lože a jeho rozměry byly nastaveny následovně:

T_q = 500 °C v ochlazovacím prvním pásmu Tfb ⁼ 560 °C v prohřívacím druhém pásmu délka ochlazovacího prvního pásma: 2,5 m délka prohřívacího druhého pásma: 4,5 m.

Vlastnosti patentovaných drátů byly následující:

- 12CZ 281967 B6

Tabulka 1

Způsob patentování	Pevnost v tahu N/mm²	Max. rozptyl hodnot drátu N/mm’*	Mikrostruktura
v olověné lázni	1240-1255	15	jemný perlit (100 %)
FBI (známý stav)	1140-1204	64	smíšená, do 20 % hrubší perlit
FB2 (podle vynálezu)	1186-1222	36	jemný perlit + hrubší lamelami oblast

(*) maximální rozptyl hodnot pevnosti v tahu měřené na stejném drátu a mezi různými dráty podle jejich poloh v peci.

Výsledky ukazují příznivý účinek fluidního lože FB2 podle vynálezu na vlastnosti patentového drátu v porovnání s výsledky patentování v dosud známých fluidních ložích FBI.

Příklad 2

Patentovací linka s fluidovaným ložem pro 36 drátů byla opatřena zařízením s dvoupásmovým fluidovaným ložem podle vynálezu obsahujícím ochlazovací první pásmo s délkou 1,5 m a prohřívací druhé pásmo s délkou 5,5 m, přičemž obě pásma měla oddělené nastavování teploty. Ochlazovací první pásmo se fluidizovalo různými směsemi plynů.

Provozní podmínky:

- průměr drátu 1,3 mm, obsah uhlíku 0,69 % hmotnostních,

- teplota ochlazovacího prvního pásma: 455 °C,

- teplota prohřívacího druhého pásma: 530 °C

- austenitizační teplota: 900 °C,

- rychlost tažení drátu 30 m/min.,

- způsob chlazení v ochlazovacím prvním pásmu podle zdroje plynu a složení plynu:

. FB3: výstupní plyn z pece 0,15 % CO, 2 % O₂ . FB4: spaliny z vnějších hořáků 4 % CO₂, 5 % O₂, 0 % CO . FB5: horký vzduch.

Výsledky patentování drátů ve fluidovaném loži byly srovnány s výsledky dosaženými v lázni roztaveného olova, transformované izotermicky při 560 °C. Vlastnosti drátů jsou uvedeny v tabulce 2:

- 13 CZ 281967 B6

Tabulka 2

Pevnost v tahu N/m²	Zúžení %	Mikrostruktura	Oxidace povrchu: tloušťka okují pm
FB-3 1207-1221	56,5-53,5	jemný sorbit + stopy lamelámího perlitu	0,6-0,9
FB-4 1205-1222	52-57	jemný sorbit + stopy lamelámího perlitu	1,2-1,5
FB-5 1191-1281	41-54	jemný sorbit + hrubší perlit + ferit	1,5
olovo 560 °C 1224-1238	48-55	jemný sorbit	1,0-1,2

Z toho je zřejmé, že vlastnosti i mikrostruktura patentovaných drátů, získané způsobem podle vynálezu, jsou velmi blízké hodnotám drátů patentovaných v olověné lázni s výjimkou příkladu, při kterém byl k ochlazování použit horký vzduch. Je také jasně zřejmý příznivý vliv neoxidačního chladicího plynu na oxidaci povrchu drátů.

Příklad 3

V tomto příkladu byla použita stejná patentovací linka s fluidním ložem jako v příkladu 2, avšak s upravenou regulací teploty v prohřívacím druhém pásmu, které bylo rozděleno do pěti dílčích úseků se samostatnými ohřívacími prvky pro přídavný ohřev a korekci místních teplot v jednotlivých místech prohřívacího druhého pásma.

Drát: průměr 1,25 mm, obsah uhlíku v oceli 0,73 % hmot.

Nastavená teplota: ochlazovací první pásmo 550 °C prohřívací druhé pásmo 520 °C

Činnost zařízení se porovnávala při několika alternativních provozních podmínkách:

A: zapnutí topných prvků v prohřívacích úsecích

AI: přívod plynu s teplotou 400 °C, nastavenou pomocí dílčích topných článků o celkovém výkonu 12 kW

A2: vstupní teplota plynu 355 °C, dílčí topné články přepnuty na vyšší výkon 25 kW pro umožnění jak kompenzace místní teploty a podporu základního ohřevu.

B: prohřívací druhé pásmo udržováno na běžném režimu bez použití pomocných topných článků, fluidizační plyn přiváděn při teplotě kolem 500 °C.

V případě AI se dosáhlo účinného provozního stavu v době kratší než 40 minut a v případě A2 v době kratší než 30 minut. V případě B byla doba potřebná pro dosažení požadovaného teplotního profilu v transformačním pásmu delší než jedna hodina.

Kromě toho bylo rozdělení a kolísání teplot v průběhu normálního provozu porovnáváno v různých úsecích lože. Výsledky těchto měření teplot jsou uvedeny v tabulce 3.

- 14CZ 281967 B6

Tabulka 3

Rozdělení teplot po délce fluidovaného lože

Ochlazovací pásmo	Prohřívací pásmo
úsek 1	úsek 2	úsek 3	úsek 4	úsek 5*
AI 440-450	495-510	515-525	510-520	510-515	485-500
A2 440-340	515-525	520	520	520	514-520
B 440-460	490-530	520-550	525-580	540-570	450-490

*) pokles teploty v posledním úseku 5 je ovlivněna výstupním otvorem fluidovaného lože.

Příznivý účinek odděleného řízení jednotlivých úseků prohřívacího druhého pásma na vyrovnávání teplot fluidovaného lože je zřejmý z případů AI a A2. V případě B pokračuje růst místních teplot částicového lože snad až nad optimální teploty, přičemž reálná teplota drátu nebo transformační teplota je ještě vyšší. Tyto nežádoucí odchylky teplot by se mohly stát významnými například při změně průměru drátů a při přerušovaném provozu, kdy se vyskytuje zastavování pohybu drátů a opětné uvádění drátů do pohybu například při poruchách činnosti linky, by mohly vést ke snížení kvality zpracovávaného drátu a k častějšímu výskytu nepoužitelných drátů než je tomu obvykle při patentovacím postupu ve známém fluidovaném loži. Z případu A2 je zřejmé, že pečlivá volba výkonu pomocných ohřívacích prvků, který musí být dostatečně velký pro pokrytí širokého rozsahu potřebných kompenzací, a nižší primární teplota plynu než je obvyklé poskytuje vynikající flexibilitu a umožňuje udržovat lokální teploty na hodnotách velmi blízkých předepsané úrovni.

Vlastnosti drátů získané při podmínkách AI, A2, B jsou v porovnání s patentováním v lázni roztaveného olova následující:

pevnost v tahu N/mm²	střední rozptyl hodnot u drátů N/mm²
AI 1217	12,7
A2 1234	10,2
B 1192	19,5
olovo 560 °C 1247	12,4

Na obr. 9a a 9b je graficky zobrazeno srovnání rozdělení pevnosti v tahu u drátů zpracovaným za podmínek AI a A2 ve vztahu k jejich poloze v peci a drátů zpracovaných v olověné lázni. Z těchto diagramů je patrné zlepšení vlastností drátů zpracovávaných za podmínek AI.

Obr. 10 zobrazuje graficky rozdíly mezi jednotlivými patentovacími režimy, které mohou být zvoleny a prováděny pomocí dvoupásmového fluidovaného lože způsobem podle vynálezu, při kterém bylo prohřívací druhé pásmo rozděleno do několika úseků se samostatným ovládáním. V diagramu uvádějícím vztah mezi vývojem teplot v průběhu času a dosaženou transformací vyjadřují křivky (1) a (2) patentování ve fluidovaném loži při dvou různých teplotních úrovních, zatímco křivka (3) zobrazuje patentování se začátkem transformace na první teplotě a postup transformace a její ukončení při vyšší teplotě vybrané v transformační úseku (TR_X) ze tří křivek (3a, 3b, 3c). Křivka (4) uvádí příklad krokového patentování s podchlazením austenitu před rychlým ohřevem na vhodnou teplotu pro izotermickou transformaci na perlit.

Zvláštní přizpůsobení se týká plynulého martenzitického kalení ocelových drátů pomocí dvoupásmového fluidovaného lože, které je pro tento účel opatřeno přizpůsobeným ochlazovacím prvním pásmem pro hluboké chlazení, umožňujícím ochlazování pod počáteční teplotu Ms martenzitické přeměny bez protnutí perlitického výběžku transformační křivky, přičemž ochlazovací první pásmo je dostatečně dlouhé, popřípadě je v případě potřeby doplněno

- 15 CZ 281967 B6 přídavným modulem s chladným ložem, aby se zabezpečila úplná transformace austenitu na martenzit před vstupem do prohřívacího druhého pásma, kde má být martenzit temperován při předem určené udržovací teplotě.

Pro patentování ocelových drátů, zejména drátů s malými průměry, je možno použít zařízení s nejméně jedním společným částicovým ponořovacím ložem, které je fluidizováno směsí plynů přiváděných z výstupu pece nebo od hořáků při libovolně zvolené nízké základní teplotě. Délka modulu je potom rozdělena na několik samostatných řídicích úseků, ve kterých je první úsek, používaný pro rychlé ochlazování, vybaven jednak pevnými chladicími prvky a jednak také regulovatelnými chladicími prvky pro odebírání přebytečného tepla při ochlazování. Druhý úsek a další dílčí úseky modulu, tvořící vlastní transformační pásmo, jsou potom opatřeny regulovatelnými vnitřními ohřívacími prvky s dostatečným výkonem pro vytvoření a udržování předem určené transformační teploty. V takovém případě je skříň fluidovaného lože integrována do jediné modulové konstrukce, zatímco ústrojí pro řízení přívodu a odběru tepla a kompenzaci teplot tvoří dva na sobě nezávislé systémy jednak pro prudké ochlazování a potom pro transformaci nebo popouštěcí prohřívání.

Pro řešení podle vynálezu není důležité, zda zařízení je tvořeno skupinou samostatných fluidovaných loží nebo jediným fluidovaným ložem, rozděleným na samostatná pásma. Gradientní patentování by mohlo být prováděno pomocí skupiny sousedních samostatných fluidovaných loží. Další modifikace způsobu a zařízení v rámci vynálezu jsou odborníkům dostatečně zřejmé z předchozích příkladných provedení.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob tepelného zpracování ocelových drátů patentovacím postupem, při kterém se austenitizované ocelové dráty ochlazují v prvním pásmu (Q) fluidovaného lože a převedou se do druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože, ve kterém probíhá transformace materiálu drátů, přičemž první pásmo (Q) fluidovaného lože se fluiduje fluidizačním plynem a druhé pásmo (TRS) fluidovaného lože se fluiduje dalším fluidizačním plynem a teploty obou pásem (Q, TR-S) fluidovaného lože se regulují nezávisle na sobě samostatně regulovanými zdroji plynu, vyznačující se tím, že teplota druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože se reguluje v jeho jednotlivých úsecích (13) samostatnými a na sobě nezávislými topnými prvky (14), příslušnými pro každý úsek (13) délky druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že teploty jednotlivých úseků (13) se regulují pro vytvoření teplotního gradientu podél druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že vytvořeným teplotním gradientem se vyvolá začátek transformace při první teplotě a její pokračování při další vyšší teplotě.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se t í m , že transformace při druhé teplotě začíná po dosažení 10 až 20 % hodnoty první teploty.
5. Způsob podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že po rychlém ochlazení austenitizovaného drátu se drát rychle ohřeje na teplotu potřebnou pro transformaci.

- 16CZ 281967 B6
6. Způsob podle nároků 1 až 5, vyznačující se t í m , že se teplota prvního pásma (Q) fluidovaného lože reguluje alespoň zčásti pomocným ochlazovacím ústrojím.
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se t í m , že první pásmo (Q) fluidovaného lože se plynule ochlazuje prvním ochlazovacím ústrojím a přídavně se ochlazuje s variabilní intenzitou chlazení pomocnou chladicí látkou.
8. Způsob podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že první pásmo (Q) fluidovaného lože se fluidizuje neoxidačními výstupními plyny z austenizační pece (1).
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že výstupní plyny z austenizační pece (1) se před vstupem do prvního pásma (Q) fluidovaného lože ochlazují a/nebo zahřívají pomocnými ústrojími.
10. Způsob podle nároků 8 nebo 9, vyznačující se tím, že obsah kyslíku ve výstupních plynech je v objemovém množství nejvýše 2 %.
11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že výstupní plyny obsahují zbytkový podíl oxidu uhelnatého pro další udržování neoxidačních podmínek.
12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že podíl oxidu uhelnatého ve výstupních plynech se udržuje v objemovém množství 0,5 až 2 %.
13. Způsob podle nároků 1 až 12, vyznačující se tím, že regulováním teploty se dosáhne lamelámí perlitická mikrostruktura.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že dosaženou mikrostrukturou je mikrostruktura tvořená jemným perlitem nebo sorbitem.
15. Zařízení k provádění způsobu podle nároků 1 až 14, sestávající z prvního pásma (Q) fluidovaného lože pro ochlazování drátů, z druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože a z prostředků pro nezávislé fluidizování prvního pásma (Q) a druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože a pro nezávislé řízení jejich teplot, vyznačující se tím, že druhé pásmo (TRS) fluidovaného lože je rozděleno na oddělené úseky (13), opatřené samostatně ovládanými ohřívacími prvky (14).
16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že první pásmo (Q) fluidovaného lože je opatřeno stabilně nastaveným ochlazovacím ústrojím a pomocným ochlazovacím ústrojím, obsahujícím zejména dmychadlo (28).
17. Zařízení podle nároků 15 nebo 16, vyznačující se tím, že první pásmo (Q) fluidovaného lože je opatřeno propojovacím kanálkem s austenitizační pecí (1) pro přívod jejích výstupních plynů.
18. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že v propojovacím kanálku pro přívod výstupního plynu je před vstupem do prvního pásma (Q) fluidovaného lože umístěn rekuperátor (11) a pomocný ohřívač plynu.

- 17CZ 281967 B6
19. Zařízení podle nároku 17 nebo 18, vyznačující se t í m , že v prvním pásmu (Q) a v druhém pásmu (TR-S) fluidovaného lože jsou vytvořeny průchozí kanálky pro postupné přivádění plynů do prvního pásma (Q) a druhého pásma (TR-S) fluidovaného lože, opatřené výměníky (10, 10’) tepla pro regulaci teplot procházejících plynů.