книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

16.Роль циркуляции закалочной жидкости при охлаждении стальных изделий.

17.Влияние скорости охлаждения сталей различных групп в перлитном интервале на формирование их структуры.

71

3. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ

3.1. Теплотехнические основы нагрева (охлаждения) стали. Определение коэффициентов теплопередачи

Нагрев и охлаждение металла – нестационарные тепловые процессы, что необходимо учитывать при выборе условий нагрева и методики расчета времени нагрева (охлаждения) изделий.

Нагрев является важнейшей операцией термической обработки. Качественный нагрев должен обеспечивать достижение изделием в момент его выдачи из печи требуемых значений температуры, как на поверхности тела, так и по сечению. Большой перепад температур по сечению изделия может вызвать незавершенность структурных превращений по всей толщине изделия, и как результат – брак обработки. Следовательно, большое значение имеет точность нагрева и минимальный конечный перепад температур.

Характер распределения температуры по сечению изделия зависит от температуры нагрева, времени нагрева и способа передачи тепла нагреваемому изделию, т.е. способа теплопереноса. В рабочем пространстве пламенных и электрических печей известны три существенно разных вида теплопереноса: излучением, теплопроводностью, конвекцией

[1, 2, 5, 24, 14–16, 30].

Теплообмен излучением связан с распространением энергии от излучающего тела посредством магнитных волн. При любой температуре практически все тела испускают волны разных длин: ультрафиолетовое излучение (λ = 0,02… 0,4 мкм), видимое или световое (λ = 0,4…0,8 мкм) и инфракрасное или тепловое (λ = 0,8…1000 мкм). Преимущественный вид излучения зависит от температуры. Например, твердое тело при 1800 К излучает 0,003 % энергии в ультрафио-

72

летовой части спектра, 1,6 % – в видимый, остальное – в инфракрасный.

Повышение температуры приводит к увеличению доли тепловой энергии. Энергия излучения, попадающая на другие тела, частично поглощается, частично отражается, частично проходит сквозь тело. Часть энергии, которая поглощается телом, вызывает изменение состояния электронов, атомов или молекул на поверхности, что приводит к повышению внутренней энергии тела и проявляется через повышение температуры поверхности рассматриваемого тела. Таким образом, теплообмен излучением связан с двойным преобразованием энергии: первоначально внутренняя энергия вещества превращается в энергию излучения (энергию электромагнитных волн), которая переносится в пространстве и, попадая на другое вещество, вновь преобразуется в тепловую энергию. Например, в печах сопротивления тепловая энергия нагревателя излучается на поверхности печной камеры и нагреваемое изделие, вызывая их нагрев, в то же время нагретая футеровка печи дает излучение на холодную загрузку. Таким образом, при расчете коэффициента теплоотдачи излучением (αизл) необходимо учитывать как начальную и конечную температуру загрузки, так и температуру кладки печи (температура печи). Передача тепла нагреваемому металлу происходит по закону Стефана-Больцмана, т.е. пропорционально разности четвертых степеней абсолютных температур. Для практических инженерных расчетов этот закон записывают

где Е0 – интегральная плотность излучения, Вт/м2; С0 – ко-

эффициент излучения абсолютно черного тела (а.ч.т.), равен

5,67 Вт/м2·К4.

73

Реальные тела по своим радиационным свойствам отличаются от а.ч.т. тем, что меньше поглощают и излучают тепловой энергии при равных условиях, чем идеальные излучатели. Для оценки их радиационных свойств используют степень черноты ε – отношение потока излучения данного тела к потоку энергии идеального излучателя с той же температурой и в ту же среду:

ε = Е .

Е0

Коэффициент этот меняется от 0 до 1 и зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются состояние поверхности и температура. Тогда для реального серого тела

4

Е = ε С Т , Вт/м2.

0 100

При расчете лучистого теплообмена в рабочем пространстве промышленных печей принимается, что по всей поверхности кладки степень черноты и температура постоянны, так же постоянны степень черноты и температура по всей поверхности нагреваемого металла. Рабочее пространство заполнено газовой средой с постоянными по объему степенью черноты εг и температурой tг.

Таким образом, для упрощенных практических расчетов рекомендуют [16] использовать следующие зависимости:

74

где Спр – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2·К4); εм, εп – степень черноты нагреваемого металла и поверх-

ностей печной камеры (справочные данные);

Fизд′ – активная поверхность изделия (садки), восприни-

мающая тепловое излучение, м2;

Fп – поверхность стен печной камеры, м2;

q – удельный тепловой поток излучения на металл, Вт/м2. В термических печах Fизд всегда много меньше Fп, поэтому можно приближенно принять Спр, равным 5,67εм. Следовательно, при нагреве окисленной стали в топливных печах при tп меньше 1000 °С Спр = 4,1, при tп больше 1000 °С Спр = 4,56; для электрических печей Спр = 2,9 и 3,5 Вт/(м2·К4)

соответственно.

При нагреве неокисленной (полированной) стали и цветных металлов и сплавов

Спр = 5,67εм · m,

где m – для мазутных печей = 0,95; для газовых печей 0,85– 0,95; для печей сопротивления 0,80.

Для снижения погрешности расчета определяют начальный (αнач) и конечный (αкон) коэффициенты излучения и в расчет принимают среднюю величину.

При нагреве в жидких средах среднее значение коэффициента теплоотдачи в интервале температур рекомендуемого применения брать по экспериментальным табличным или графическим данным. Например, нагрев в расплаве NaCl (температура 20–1000 °С) α = 300 Вт/(м2·К); в расплаве BaCl2

(температура 20–1200 °С) α = 600 Вт/(м2·К) и т.д.

Конвективным теплообменом (конвекцией) называют перенос теплоты за счет перемещения вещества (жидкости, газа) в пространстве.

75

Различают два вида конвекции: естественную (свободную) и вынужденную.

Первый вид обусловлен неоднородностью среды движущейся жидкости или газа, связанной с градиентом температур или плотности. Следовательно, в свободной конвекции движущая сила обусловлена разностью плотностей газа, вызванной его контактом с поверхностью, имеющей другую температуру, вследствие чего возникают подъемные (архимедовы) силы. Типичным примером такой конвекции является теплоотдача от стенок и сводов печей.

Вынужденная конвекция вызвана внешними механическими воздействиями на среду, например напором, создаваемым вентилятором, компрессором или насосом. Чем выше скорость движения потока, тем больше при прочих равных условиях интенсивность перемешивания теплоносителя.

При конвективном теплообмене, кроме скорости движения потоков, существенное влияние имеют многие другие факторы – температуры обменивающихся тепловой энергией сред, формы и размеры пространства, где развивается конвективный теплообмен, направленность передачи теплоты (нагрев или охлаждение), физические свойства теплоносителя (теплоемкость, плотность, вязкость, теплопроводность).

Независимо от того является конвекция свободной или вынужденной, тепловой поток можно выразить по закону Ньютона

Q = α(t1 −t2 )F,

где α – средний коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности раздела газа (жидкости) и твердого тела.

Теоретически установить связи между всеми факторами, влияющими на коэффициент αконв, весьма сложно и не всегда возможно, поэтому при изучении переноса теплоты конвекцией широко используют экспериментальные методы, а в инженерных расчетах, например в расчете времени нагре-

76

ва (охлаждения) изделий при термической обработке, пользуются эмпирическими формулами или, для более точного расчета, специальными таблицами и графиками [5, 14, 16].

Для теплопередачи при нагреве стали в топливных печах, работающих без вентилятора, можно пользоваться формулой Юргерса

αконв =5,0 +3,951+βWt t , Вт/ (м2 К),

где Wt – скорость движения продуктов горения ≤ 5 м/с, в расчете обычно применяют 2÷3 м/с;

β – коэффициент объемного расширения газов, β = = 1/273, К–1;

t – температура печи. Рекомендуется принимать

t =tг =(tм.к +50 °С) или tг = (1,05 ÷1,1)tм.к.

Для tм.к = 800–950 °С и Wt = 2÷3 м/с можно принимать αконв = 14 Вт/(м2·К) (топливные) и αконв = 12 Вт/(м2·К) (печи сопротивления).

При низкотемпературном нагреве tм.к (до 650 °С) при наличии в печи вентилятора и соотвественно Wt = 6–10 м/с

αконв ≈ 50 Вт/(м2·К). При этом рекомендуют расчет αконв вести по формуле

В действительности в металлургической теплотехнике приходится всегда иметь дело со сложным теплообменом, когда осуществляются как минимум два вида теплопереноса. Например, для определения времени нагрева металла в электрической печи сопротивления требуется рассмотреть совместно теплообмен излучением и теплопроводность. Для высо-

77

углеродистой стали при t = 0 °С можно найти по следующей эмпирической зависимости:

λ0 =1,163(60 −8,7С−14,4Mn −29,0Si),

где содержание углерода в стали до 1,5 %, Mn и Si до 0,5 %. С повышением температуры λ для чистых металлов непрерывно падает, а при наличии примесей в сталях влияние температуры будет различным. Например, для низкоуглеродистой нелегированной стали 08кп λ20 = 63, λ200 = 56,

λ400 = 47, λ600 = 37, λ800 = 30, λ900 = 27 Вт/(м·К).

Величины коэффициента λ для различных сталей, цветных металлов и сплавов при разных температурах приведены в прил. 1–6.

Материалы с высокой пористостью имеют низкий коэффициент теплопроводности. Например, для теплоизоляционных материалов λ = 0,02÷3 Вт/(м·К). Коэффициенты теплопроводности огнеупорных и волокнистых материалов представлены на рисунках прил. 10 и 11.

3.2. Основные конструкции печей сопротивления

Конструкции печей для термической обработки изделий весьма разнообразны. В машиностроении наиболее широко применяются печи, работающие на электроэнергии – печи сопротивления (ПС). По принципу действия их делят на печи периодического действия (садочные печи) и непрерывного действия.

Печи периодического действия

Камерные электропечи периодического действия являются самой простой и универсальной конструкцией термических печей. Их применяют при индивидуальном и серийном производстве при обработке деталей разнообразной формы для разных видов и режимов термической обработки, для любых сталей.

79

Камерные печи с неподвижным подом и рабочим окном, закрывающимся заслонкой, загружаются партией металла (садка), который остается неподвижным и нагревается до заданной температуры. Нагреватели располагают на боковых стенках, своде печи и под подовой плитой печи. Основным преимуществом печи является ее универсальность, что особенно важно для мелкосерийного производства с широкой номенклатурой изделий, простота изготовления и эксплуатации. Основной эксплуатационный недостаток камерных печей – трудность механизации загрузки и выгрузки изделий.

Шахтные электропечи применяют для термообработки длинномерных изделий, которые нагреваются в подвешенном состоянии, или мелких деталей в корзинах. Различают шахтные печи: муфельные, полумуфельные и безмуфельные. Размеры рабочего пространства и его форма определяются габаритами загрузки. Печи с рабочей температурой до 700 °С снабжаются вентиляторами. Вентиляторы устанавливаются также на печах, предназначенных для химико-термической обработки (цементации, нитроцементации, азотирования).

Колпаковые электропечи предназначаются в основном для безокислительного отжига ленты в рулонах, листов в пачках, проволоки в бунтах. Установленная на стенде загрузка закрывается жароупорным муфелем, под который подается защитный газ, и закрывается сверху нагревательным колпаком. Один колпак обслуживает 2–3 стенда. На одном стенде идет загрузка изделий, на втором – нагрев изделий, на третьем стенде осуществляется охлаждение изделий под муфелем печи.

Печи с выдвижным подом применяются для термической обработки тяжелых крупногабаритных изделий, загрузка и выгрузка которых производится с помощью мостовых кранов.

Печи с подъемным подом (элеваторные) применяются при обработке крупногабаритных и сварных изделий. Изде-

80