книги / Термическая обработка и волочение высокопрочной проволоки
..pdf1.ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ДЛИНАМИ ПАТЕНТИРОВОЧНЫХ ПЕЧЕЙ
ИВАНН, ДИАМЕТРОМ ПАТЕНТИРУЕМОЙ ПРОВОЛОКИ
ИСКОРОСТЬЮ ПАТЕНТИРОВАНИЯ
Впроцессе .патентирования проволока непрерывной нитью проходит через нагревательную печь и охлаждающую ванну. Выбор скорости .патентирования сводится к установлению такой максимальной скорости -прохождения проволоки данного разме ра через нагревательную печь и oxлàждaIoщyю ванну, при кото
рой, «во-первых, при заданном режиме нагрева металл должен нагреться до необходимой температуры и должны произойти процессы полного превращения Fe«->FeT, растворения карби дов, диффузии углерода в FeT и роста зерна аустенита; во-вто рых, при заданной температуре и охлаждающей способности среды должен совершиться распад аустенита в пределах ванны.
Помимо обозначений, использованных выше, для последу ющего анализа процессов примем:
Lu — длина патентировочной печи; LB—длина патентировочной ванны;
тп — время пребывания проволоки в печи; Тр —'продолжительность превращения переохлажденного
аустенита в ванне; тв —время пребывания проволоки в ванне;
V —скорость патентирования.
При любой конструкции печи и любом способе обогрева ми нимально .необходимое время пребывания проволоки в печи бу дет увеличиваться при увеличении ее диаметра. В общем виде оно может быть представлено в виде функции
|
= |
|
|
(9) |
Согласно формуле (6), |
температура |
охлаждающей |
среды |
|
повышается с увеличением |
содержания |
углерода |
в |
стали и |
уменьшением диаметра проволоки. |
дают основание счи |
|||
Экспериментальные данные (табл. 4) |
||||
тать, что в углеродистых сталях при применяемых |
температу |
|||
рах охлаждающей среды продолжительность превращения пере охлажденного аустенита не зависит ни от содержания углерода, ни от диаметра проволоки.
Следовательно, при аналитическом исследовании скорости патентирования величина тР может быть принята постоянной.
взаимосвязь между диаметром проволоки, отношением длины пени к длине ванны и продолжительностью пребывания проволоки в печи и ванне. Критический диаметр
Пусть патентировочный агрегат с печью длиной Ln и ванной длиной LBработает при заданном температурном режиме.
Предположим, что, патентируя проволоку из стали постоян ного химического состава диаметром Д агрегат работает так,
ЧТО T u = Тмин И Т р = Т р .
Тогда скорость патентирования
V = ^п = тп
откуда
l ^c |
H |
L B
Lu
, т о г д а
L B
n Lu
--- -----
L B
Tn _ TMHH
TB TP
— Tn |
_ TMIIH |
( 10) |
|
TP
Таким образом, если проволока находится в печи столько, сколько необходимо для ее нагрева и .протекания процессов, связанных с нагревом, а в ванне — столько, сколько необходимо для превращения переохлажденного аустенита, то отношение длины печи к длине ванны равно отношению -минимально необ ходимого времени пребывания проволоки в печи к продолжи тельности превращения переохлажденного аустенита в ванне.
Диаметр проволоки, для которого характерна указанная за кономерность, назовем критическим (Д<).
Тогда соотношение (10) может быть представлено в виде
А __ т п __ т мин __ / ( А )
( П )
тв
Предположим, что D >D l{ на величину околь угодно малую; тогда соотношение (11) нарушится. Величина п = н е зави-
сит от диаметра, а Тмин с увеличением диаметра возрастает. По
этому соотношение |
(11) примет вид |
|
|
|
n = h . < fJ£L |
( 12) |
|
|
Ln |
Tn |
|
При некотором |
значении тв> тР неравенство |
(12) преобразу |
|
ется к виду |
|
|
|
|
|
|
(13) |
Пусть 1><7)к на величину сколь угодно малую. Соотношение
(11) снова нарушится. Величина п= — не зависит от диамет-
Ln
ра, а Тмин с уменьшением диаметра уменьшается Вследствие этого будем иметь
(14)
LB T.,
При некотором значении тв< т р неравенство (14) примет вид
____ Ln ___ f (D) |
/ 1сч |
Из соотношений (И) — (15) можно сделать следующие вы воды.
а. Для любого патентнаовочного агрегата имеется единствен ный диамет.р итроволаки, .названный критическим, для которого отношение длины <1течи к длине ванны равно отношению мини мально необходимого времени пребывания проволоки в печи к продолжительности превращения переохлажденного аустенита в ванне. Поэтому, если при патентировании проволоки диамет ром, равным критическому, продолжительность пребывания проволоки в печи равна минимально необходимому времени, то продолжительность «пребывания проволоки в ванне -будет равна продолжительности распада аустенита в ванне, т. е. при D=DK
Тп —Тмин* тв — ^р< |
(16) |
б. Для проволоки диаметром больше критического отноше ние длины печи к длине ванны меньше отношения минимально необходимого времени пребывания проволоки в печи к продол жительности превращения переохлажденного аустенита в ванне. Поэтому, если при патентировании проволоки диаметром боль ше критического продолжительность «пребывания проволоки в печи равна минимально необходимому времени, то продолжи тельность пребывание проволоки в ванне будет больше продол жительности превращения переохлажденного аустенита в ванне,
т. е. при D > Du
(17)
в. Для проволоки диаметром меньше критического отноше ние длины печи к длине ванны больше отношения минимально необходим«ого времени пребывания проволоки в печи к продол жительности превращения переохлажденного аустенита в ванне. Поэтому, если при патентировании проволоки диаметром мень ше критического продолжительность пребывания проволоки в ванне будет меньше продолжительности превращения переох лажденного аустенита в ванне, т. е. при D < DK
(18)
Факторы, лимитирующие скорость патентирования,
ипути интенсификации процесса патентирования
1.Пусть D > DKt тогда из соотношения (17) следует тп= тМиа; Тц!>тГр.
Примем:
a) v\ — скорость патентирования, которая должна обеспе чить в печи необхо'димую температуру нагрева проволоки и про текание связанных с нагрев«ом процессов:
Т МНН
6) |
v2— скорость патентирования, которая должна |
обеспе |
|||
чить превращение аустенита в пределах ванны: |
|
||||
где |
— «продолжительность пребывания проволоки в лечи, ис |
||||
ходя |
из условия обеспечения |
(превращения |
переохлажденного |
||
аустенита в пределах ванны. |
|
|
|
||
В этом случае |
|
|
|
|
|
|
V, =- — = - Ц - > »1 - h - = ^ , |
|
|||
|
тр |
т„ |
т мин |
т в |
|
так как тв> т Р. Следовательно, |
|
|
|
||
|
|
^ |
т мин* |
|
|
Скорость v2 не обеспечит необходимой температуры |
нагрева |
||||
и протекания необходимых процессов, так как х'п <Чмин, и поэ
тому не приемлема.
Таким образам, при патентировании проволоки диаметром
больше критического максимальная скорость |
патентирования |
будет |
|
» ы « е ------- — . |
(1 9 ) |
т мин |
|
Из соотношений (17) и (19) следует, что при патентировании проволоки диаметром больше критического фактором, лимити рующим скорость патентирования, является минимально необ ходимое время пребывания проволоки в печи. В этом случае имеем неполное использование длины ванны.
Увеличение продолжительности превращения аустенита, свя занное с понижением температуры охлаждающей среды или из менением химического состава, может компенсироваться про должительностью пребывания -проволоки в охлаждающей среде.
Из соотношения (19) следует, что если диаметр п а т е н т о ванной проволоки является одновременно большим критическо го для нескольких агрегатов с разной длиной печи, то патентирование целесообразно проводить на агрегате, имеющем наи большую длину печи.
Максимальная скорость патентирования омаКс может быть увеличена, если уменьшится минимально необходимое время Тмип пребывания проволоки в печи. Это может быть достигнуто за счет повышения температуры нагрева. Известно, что при по вышенных температурах печи время нагрева уменьшается [45], [50, 51], а процессы, связанные с превращением перлита в аусте нит, протекают интенсивнее [12, 13, 14, 15].
Минимально необходимое время пребывания проволоки © пе чи зависит от распределения температуры в муфеле печи по ее длине.
На рис. 10 схематически представлены пять способов рас пределения температуры. Если минимально необходимое время пребывания проволоки в печи для первого способа обозначить через т 1мнн (1), а для последующих способов соответственно че-
Р*> *2 мци (2), Т з мин (3), Т4 МШ1 |
(4) |
и Т5 |
М1)11 (5), то |
||||
|
*£■* |
^о |
|
То |
^ |
Т. |
^ Те |
Таким |
1МИН |
ZMHH ^ |
аМИН |
-МИН |
°МИН |
||
образом, за счет |
|
|
|
|
|||
повышения |
температуры |
в |
|
|
|
|
|
муфеле печи (особенно |
со |
|
|
|
|
||
стороны входа проволоки |
в |
|
|
|
|
||
печь) Тмин |
может |
быть |
со |
|
|
|
|
кращено, а |
оМанс — повы |
Температура |
|
шена. |
|
|
нагре6а проволоки |
При увеличении диамет |
на выходе из пена |
||
ра проволоки увеличивается |
|
||
Тмин, значит, снижается |
Амане*, |
|
|
аналогичное |
явление |
будет |
|
и при уменьшении содержа |
|
|
|
|
||
ния |
углерода в стали, так |
Рис. 10. |
Возможные |
способы распре |
||
как |
интенсивность превра |
|||||
деления |
температуры |
в |
муфеле печи |
|||
щения перлита в аустенит в |
при |
патентировании |
проволоки |
|||
этом случае понижается [14].
Следовательно, для повышения скорости патентирования при обработке проволоки диаметром больше критического необхо димо особенно интенсивно преть металл со стороны входа его в печь, повышая температуру нагрева по длине всего муфеля тем выше, чем больше диаметр проволоки и ниже содержание угле рода в стали.
2. Пусть £ < A Î.
Из соотношения (18) следует:
Т П = |
Т МНН» |
<С ^р. |
|
В этом случае |
|
|
|
ui = '-Ь±— = Ь°.^> Х)2 — — : |
т' |
||
т мин |
т в |
т р |
|
так как тв</сР. Следовательно,
СП ^ ТМИ1Г
Скорость V\ не обеспечит превращения аустенита в пределах ванны, так как тв< т р, и поэтому не может быть приемлема.
Таким образом, при патентировании проволоки диаметром меньше критического максимальная скорость патентирования
*«aKc = — . |
(20) |
ТР
Из соотношений (18), (20) следует, что при патентировании проволоки диаметром меньше критического фактором, лимити рующим скорость патентирования, является .продолжительность превращения переохлажденного аустенита. Здесь уже имеем неполное использование дл!ины печи.
Понижение температуры нагрева проволоки или применение методического нагрева может 'Компенсироваться продолжитель ностью пребывания проволоки в печи.
Из соотношения (20) следует также, что если диаметр патентируемой проволоки меньше критического для нескольких агре гатов с разной длиной вянны, то патентирование целесообразно проводить на агрегате, имеющем ванну наибольшей длины.
Максимальная скорость патентирован1ия пмакс может быть увеличена, если продолжительность превращения переохлаж денного аустенита тр уменьшится. Применительно к углеродис тым сталям это может быть достигнуто за счет повышения тем пературы охлаждающей среды, так как при патентировании она -ниже температуры минимальной устойчивости аустенита.
По мере повышения в стали элементов, увеличивающих про должительность распада аустенита, знаменатель в соотношении (20) будет возрастать, а амакс—уменьшится. Чтобы этого не произошло, следует избегать применения стали с повышенным содержанием элементов, увеличивающих продолжительность превращения аустенита, а если это невозможно, то повышать температуру охлаждающей среды по мере повышения содержа ния этих элементов.
3. Пусть D = Du. Из соотношения (16) следует
так как тв = тр.
Таким образам, при патентировании проволоки диаметром, ранным критическому, максимальная скорость патентирования определится по формуле
^макс — Ln |
LB |
(21) |
т мин |
ТР |
|
Из соотношений (16) и (21) следует, что при патентировании проволоки диаметром, равным критическому, факторами, лими тирующими скорость патентирования, являются одновременно и минимально -необходимое время пребывания проволоки в печи и продолжительность превращения переохлажденного аустени та в ванне. Здесь имеем полное использование и длины печи и длины ванны.
Из соотношения (21) следует также, что если диаметр про волоки одновременно является радоным критическому для не скольких агрегатов с разными полезными длинами /печей и ванн, то патентирование целесообразно проводить на агрегате с наи большей полезной длиной печи и ванны.
Методика расчета максимальной скорости патентирования
Исходя из приведенных выше рассуждений можно дать ме тодику расчета максимальной скорости патентирования. Расчет сводится к следующему.
а. Определяется критический диаметр проволоки для агрега та, на котором предусматривается патентирование.
б. Если диаметр патентируемой проволоки больше критиче ского, то максимальная скорость патентирования находится по формуле (19).
в. Если диаметр патентируемой проволоки меньше критиче ского, то максимальную скорость патентирования нужно найти по формуле (20).
г. Если диаметр патентируемой проволоки равен критическо му, то максимальная скорость патентирования определится по формуле (21).
Взаимосвязь между изменением диаметра проволоки, критическим диаметром и максимальной скоростью патентирования
Пусть
D ; > D 1> D = D K> D 2>D2.
При патентировании проволоки диаметром D[ > DK макси: мальная скорость патентирования определится по формуле (19):
I'll
V1 макс
т,'
1мин
Аналогично для проволоки диам. D\ > D„, где Di < £ р имеем
V\'макс Ai
Для проволоки диам. D = £)к максимальная скорость патен тирования определится по формуле (21) :
макс |
h . |
т мцн |
т р |
Для проволоки диам. Z)2<CA< максимальная скорость патентирования найдется по формуле (20)
Аналогично для проволоки диам. £> ' < D2 < DK
^2V
ТР
Имеем
£*! > £ > !> £ ),
Даапетр
Рис. 11. Зависимость между изменением диа метра проволоки, критическим диаметром и максимальной скоростью патентировання
следовательно,
т
значит,
О мин макс*
Но tp = const, поэтому
^макс ^2макс ^2макс*
Отсюда при
D '1> D 1> D = D K > D 2> D '2
^ м а к с ^ - ^ м а к с <^-^макс |
^ 2макс |
^ 2макс* |
Эта закономерность графически представлена на рис. 11. Таким образом, уменьшение диаметра патентируемой проволоки до критического сопровождается увеличением максимальной ско-
38
рости патентиравания; при дальнейшем уменьшении диаметра проволоки максимальная скорость патентирования не изменя ется.
Следовательно, для отдельно взятого патентировочного аг регата патентирование проволоки диаметром меньше критиче ского нерационально.
Изменение величины критического диаметра в зависимости * от длин печи и ванны и химического состава стали
Из соотношения (11) следует:
1.Изменения длин печи и ванны, приводящие к увеличению их отношения, ведут к увеличению критического диаметра.
2.Пропорциональное увеличение или уменьшение длин печи
иванны не меняют величины их отношения и не приводят к из менению критического диаметра.
3.Изменения химического состава стали, температурных ре жимов нагрева металла и превращения аустенита, не изменяю
щие отношения минимально необходимого времени .пребывания проволоки в печи к продолжительности превращения аустенита, не приводят к изменению критического диаметра.
4. Изменения химического состава стали, температурных ре жимов нагрева металла и превращения аустенита, приводящие
куменьшению отношения минимально необходимого времени пребывания проволоки в печи к продолжительности превраще ния аустенита при постоянном значении отношения длины печи
кдлине ванны, приводят к увеличению размеров критического диаметра. Для того чтобы критический диаметр не изменялся, необходимо изменить габариты агрегата, уменьшив отношение
длины печи к длине ванны.
Основной принцип определения соотношения длин печи и ванны
Выше было установлено следующее.
1. Для критического диаметра отношение длины печи к дли не ванны равно отношению минимально необходимого времени пребывания проволоки в печи к продолжительности превраще ния переохлажденного аустенита в ванне.
2. Для любого отдельно взятого патентировочного агрегата патентирование проволоки диаметром меньше критического не рационально.
Основываясь на этих положениях, можно сформулировать принцип, которым и следует руководствоваться при определении соотношения длин печи и ванны: отношение длины печи к длине ванны не должно быть больше отношения минимально необхо димого времени пребывания в печи проволоки минимального размера, предназначаемой для патентирования на данном агре гате, к продолжительности распада переохлажденного аустени
та в ‘ваше, т. е. в качестве критического диаметра должен при ниматься минимальный размер проволоки, предусматриваемый для патентирования на данном агрегате, или несколько мень ший.
Понятие об условном критическом диаметре
В заводской практике приходится использовать усредненные данные минимально необходимого времени пребывания прово
локи в печи и продолжительности распада |
аустенита в ванне, |
|
так |
как « евозможно определять их экспериментально для каж |
|
дой |
плавки стали отдельно. Кроме того, |
точность эксперимен |
тальных данных, как и результаты обобщения заводской прак
тики, имеет погрешности. |
Поэтому |
если в соотношение |
(11) |
|
вместо Тмин = f(D K) и тр подставить |
результаты |
обработки экс |
||
периментальных данных |
или данных |
заводской |
практики, |
то, |
строго говоря, величину DK -нельзя будет назвать критическим диаметром. Эта величина названа условным критическим диа метром DK.у. Тогда формула (2) применительно к условному кри тическому диаметру будет
■'мин = |
30 + 50к.у. |
(22) |
Подставив выражения (7) и (22) в соотношение (11), полу |
||
чим |
|
|
д U _ |
30 + 5 Р * у |
|
LB |
15 |
|
откуда |
]/з (л — 2). |
|
DK.y = |
(23) |
|
Для проведенного анализа исходные величины Ln; LB\ тМШ1 = = f(D)\ tp = const приняты в общем виде. Поэтому установлен ные на основании этого анализа выводы выражают собой общие закономерности и приемлемы для практического использования^
2. АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПАТЕНТИРОВОЧНЫХ ПЕЧЕЙ
На рис. 12 представлена схема наиболее распространенной патентировоч1нО|й проходной печи. Патентировочные печи отапливаются мазутом, а в последнее время используется также газ и электроэнергия.
Расположение отверстий для форсунок или горелок по длине и по зонам этих печей свидетельствует о том, что такие печи ме тодические. Об этом говорят также экспериментальные данные.
На печи длиной 15,62 ж, оборудованной системой автомати ческой регулировки температуры газов в надмуфельном прост