Одной из основных отраслей тяжелой промышленности является черная металлургия. Для дальнейшего увеличения выпуска проката необходима более совершенная эксплуатация существующих и строительство новых прокатных станов, а также обеспечение качественного нагрева предназначенных для прокатки слитков.

        Нагревательные колодцы — основной тип нагревательных устройств, устанавливаемых перед обжимными станами (блюмингами и слябингами), на которых обычно прокатывают слитки весом не менее 2—3 т и толщиной 350 — 400 мм и более. Преимущества нагрева крупных слитков в нагревательных колодцах по сравнению с нагревом их в печах других типов следующие:

        1) вследствие вертикального расположения слитков в нагревательном колодце устраняется опасность смещения усадочной раковины при поступлении в колодец слитков с незастывшей сердцевиной;

        2) благодаря вертикальному расположению слитков большая часть их поверхности омывается продуктами сгорания топлива и получает тепло путем излучения от кладки, что обеспечивает более равномерный и быстрый нагрев металла, чем в печах других типов;

        3) загружают и выгружают тяжеловесные слитки в вертикальном положении сравнительно просто (колодцевыми кранами).

        Как известно, тепла, содержащегося в только что затвердевшем слитке стали с температурой поверхности примерно не менее 1000°, достаточно для того, чтобы вся масса металла слитка была доведена до температуры прокатки. Поэтому такой слиток достаточно было бы выдержать некоторое время в неотапливаемой, но хорошо теплоизолированной камере для выравнивания температуры по сечению слитка. Затем слиток без дополнительного подогрева можно было бы выдавать на стан для прокатки. График охлаждения и выдержки такого слитка в неотапливаемом колодце показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - График охлаждения и выдержки слитка в неотапливаемом колодце.

        Однако существующие сталеплавильные агрегаты являются агрегатами периодического действия, а прокатные станы – непрерывно действующими агрегатами.

        В отдельные периоды, например при совпадении выпуска плавок из нескольких сталеплавильных агрегатов, остановке, стана по какой-либо причине, а также при прокатке трудоемких профилей, в обжимной цех поступает горячих слитков больше, чем их можно прокатать на стане. При задержке в выпуске плавок в обжимные цехи нельзя подать необходимое для обеспечения их производительности количество горячих слитков.

        Поэтому между сталеплавильным и обжимным целями должно быть предусмотрено буферное устройство, компенсирующее неравномерность поступления и переработки слитков на стане. Таким буферным устройством служит теперь отделение нагревательных колодцев.

        Если из сталеплавильного цеха горячих слитков поступает столько, сколько может пропустить обжимной стан, или несколько больше, нагревательные колодцы будут томильными, т. е. сохраняющими тепло слитков до того момента, когда их можно направить в прокатку.

        Если горячих слитков поступило много и все нагревательные колодцы отделения загружены ими, избыточное число слитков приходится охлаждать и передавать на склад. Затем, когда горячих слитков поступает настолько мало, что не обеспечивается работа стана на полную мощность, холодные слитки со склада или несколько охлажденные слитки с разливочных составов передают в колодцы для нагрева до температуры прокатки, компенсируя тем самым недостаток в горячих слитках. В это время колодцы действуют как нагревательные устройства.

        Перед прокаткой некоторых легированных и качественных сталей необходимо контролировать и исправлять поверхность слитков (путем вырубки или огневой зачистки). Чтобы выполнить эти операции, слитки охлаждают. Поэтому в колодцах, установленных перед станами, прокатывающими легированные и качественные стали, процент нагреваемых холодных слитков выше, чем в колодцах, установленных перед станами, прокатывающими рядовые стали. При работе колодцев на горячих слитках их производительность выше, а расход топлива ниже, чем при работе на теплых и холодных слитках, когда колодцы функционируют как нагревательные устройства.

        Нагревательные колодцы - печи периодического действия: рабочее пространство загружают только после того, как все слитки предыдущей садки выданы. Эти колодцы характеризуются переменными во времени тепловыми и температурными режимами.

        При выдаче из колодца нагретых слитков и посадке в него новой партии слитков кладка рабочей камеры нагревательного колодца сильно охлаждается главным образом вследствие излучения при открывании крышки. Поэтому при нагреве слитков горячего посада в первый период температура поверхности слитков выше температуры поверхности кладки. В результате этого основным потребителем тепла в начале нагрева является кладка рабочего пространства колодца. В начальной стадии нагрева в нагревательный колодец подают максимально возможное количество тепла, соответствующее тепловой мощности колодца.

        По мере того, как температура внутренней поверхности кладки приближается к рабочему значению, увеличивается доля тепла, поглощаемого металлом. Эта статья расхода достигает максимального значения в тот момент, когдатемпература поверхности кладки становится примерно равной рабочему значению.

        Расход тепла, равный тепловой мощности колодца, сохраняется до тех пор, пока показания импульсной термопары не достигнут заданного значения. К этому моменту достигает максимально допустимого значения температура той части поверхности слитка, которая нагревается наиболее быстро. Затем расход топлива начинает постепенно сокращаться так, что температура в месте установки термопары остается постоянной.

        Период от начала нагрева до момента достижения импульсной термопарой заданной температуры носит название периода нагрева. Этот период характеризуется максимальным расходом топлива и непрерывным повышением температуры поверхности слитков и отходящих продуктов сгорания топлива. С момента достижения в импульсной точке заданной температуры начинается период томления или выдержки.

        В течение этого периода температура поверхности наиболее нагретых частей слитков остается постоянной, а внутри слитка и по его поверхности происходит выравнивание температуры, которое характеризуется тем, что температура середины слитка и менее нагретых его частей приближается к температуре наиболее нагретой части поверхности.

        По мере сокращения перепада температур между поверхностью и серединой, а также выравнивания температуры по поверхности слитков сокращается количество тепла, которое может быть воспринято слитками. Соответственно сокращается подача топлива в колодец. В период томления температура отходящих продуктов сгорания топлива остается приблизительно постоянной, так как температура поверхности слихков мало изменяется.

        Конец периода томления и момент готовности слитков к прокатке определяется по достижении требуемого перепада температур внутри и по высоте слитка, а расход тепла при этом становится минимальным, равным примерно расходу тепла холостого хода колодца.