Расчеты времени нагрева и охлаждения металла при термической обработке

1. РАСЧЕТЫ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Нагрев металла является одной из главных операций термической обработки, характеризуемой температурой, продолжительностью нагрева и скоростью охлаждения.

Продолжительность нагрева зависит от способа передачи тепла нагреваемому изделию. В соответствии с этим различают два метода нагрева: 1) прямой нагрев - нагрев металла внутренним теплом, генерируемым внутри изделия (электроконтактный, индукционный); 2) косвенный нагрев - нагрев металла внешними источниками тепла (в топливных и электрических печах, открытым факелом).

При выборе метода нагрева изделий необходимо учитывать технологические требования термической обработки и скорости, равномерности и точности нагрева до установленной температуры, а также экономическую целесообразность применения выбираемого способа нагрева.

В настоящее время в термических цехах чаще применяется косвенный нагрев в печах, при котором практически не ограничиваются размеры и форма изделий, в широком интервале (от 100 до 1400⁰ С и выше) может задаваться конечная температура нагрева, обеспечивается высокая равномерность и точность нагрева до заданной температуры, а также возможна продолжительная выдержка изделий при заданной температуре.

Для нагрева при термической обработке изделий из стали и сплавов применяются как электрические, так и топливные печи. Для нагрева изделий из алюминиевых сплавов чаще применятся электрические печи с искусственной циркуляцией воздуха и печи аэродинамического подогрева (ПАП).

1.1. Теоретические основы нагрева металла в печах

На поверхности нагреваемого в печи изделия протекает сложный тепловой процесс, включающий все формы теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение (лучеиспускание). Основными формами теплообмена, определяющими нагрев изделия в газовой среде печи, являются лучеиспускание и конвективный теплообмен. Для высокотемпературных и низкотемпературных печей, для различных атмосфер, заполняющих рабочее пространство печей, для разных сплавов соотношение интенсивностей этих форм теплообмена различное, что отражается на процессе нагрева изделий.

Интенсивность теплообмена между твердым телом и окружающей средой принято характеризовать коэффициентом теплоотдачи , с которым непосредственно связан удельный тепловой поток на поверхности нагреваемого тела q. По закону Ньютона:

q =                                                         (1.1)

где  t_п - температура среды (печи), ^ОС;

       t_пов. - температура поверхности нагреваемого тела (изделия), ^О С.

Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием  и конвекцией :

                                                                               (1.2)

Методы определения  и  выбираются в зависимости от условий теплообмена в печи (см. раздел 1.1 этой главы). Величина  меняется в процессе нагрева изделий, однако в расчетах продолжительности нагрева изделий эти изменения не учитываются, и принимается среднее значение .

В зависимости от условий теплообмена и способа работы печи (печи непрерывного или периодического действия), возможны три принципиально различных случая нагрева изделий. Во-первых, нагрев при постоянной температуре печи и переменном тепловом потоке на поверхности изделия. Этот случай нагрева характерен для печей периодического действия, в которых тепло к изделию передается в основном за счет теплового излучения, а также для электрических печей с искусственной циркуляцией воздуха (конвекционные печи), имеющих небольшие размеры рабочего пространства, и печей- ванн. Во-вторых, нагрев при переменной температуре печи, но постоянном тепловом потоке на поверхности изделия. Этот случай нагрева наблюдается в методических печах с преобладанием теплообмена лучеиспусканием, а также в печах периодического действия при резком падении температуры печи в момент загрузки в печь холодного массивной садки изделий. В-третьих, нагрев при переменной температуре печи и переменном тепловом потоке. Такой процесс нагрева характерен для конвекционных печей, имеющих большие размеры рабочего пространства.

Для расчета продолжительности нагрева изделий в первом случае необходимо знать величину коэффициента теплоотдачи и температуру печи. во втором случае необходимо предварительно определить удельный тепловой поток на поверхности изделия. В третьем случае часто задаются коэффициентом теплоотдачи и законом изменения температуры печи.

После загрузки холодного изделия в печь происходит интенсивный нагрев его поверхностных слоев. Нагрев центральных слоев протекает с меньшей скоростью из-за термического сопротивления изделия. Изменяясь по величине, он может сохраняться в течение всего времени нагрева изделия. Это значительно усложняет определение времени нагрева изделия.

Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется критерием, обозначаемого

                                                          (1.3)                                   

где S/l - внутреннее термическое сопротивление изделия;

 S - характерный геометрический размер изделия: для пластины – половина её толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева, для цилиндра и шара - их радиусы;

l - коэффициент теплопроводности металла;

1/a - внешнее термическое сопротивление;

a - коэффициент теплоотдачи.

Если величина критерия Bi близка к 0, то термическим сопротивлением изделия можно пренебречь, и его нагрев определяется только внешним теплообменом. В этом случае перепад температуры по сечению изделия можно не учитывать при определении времени его нагрева. Такие изделия называются “тонкими” в тепловом отношении в отличие от “массивных”, температурный перепад в которых соизмерим с температурным напором на их поверхности.

За условную границу между тонкими и массивными изделиями принимают такое сечение, для которого критерий Био равен 0,25; при этом значении Bi максимальный перепад температуры по сечению изделия составляет 10% от начальной разности температур изделия и внешней среды, т.е. t = 0,1(t_п - t_o). Таким образом, если критерий Bi < 0,25, расчеты выполняются по формулам для тонких изделий, если же Bi > 0,25 - по методике принятой для массивных изделий.

При расчетах продолжительности нагрева изделий необходимо также знать их теплофизические свойства, прежде всего плотность g, удельную теплоемкость си коэффициент теплопроводности - l. Для металлов и сплавов указанные параметры изменяются с изменением температуры. Однако при выполнении практических расчетов они принимаются постоянными. Для уменьшения погрешности расчетов следует брать средние в рассматриваемом интервале температур значения теплофизических констант.