Другие предметы \ Металловедение и термическая обработка металлов

Расчет времени нагрева, выдержки и охлаждения при проведении термической обработки, страница 6

Примечание. Общее время нагрева штанги t_общ с учетом времени выдержки составит 36 мин + 12 мин = 48 мин, а с учетом выбранной схемы укладки (например по схеме 3 таблица 9 приложения):

t_общ = 36 × 2 + 12 = 84 мин = 1 ч 42 мин.

4 Расчет времени охлаждения

4.1 Расчет времени охлаждения в среде с постоянной температурой

Пример 4. Определить продолжительность охлаждения центра вала из стали 40Х, диаметром 600 мм, длиной 3 м с температурой 850ºС до температуры 200ºС в различных охлаждающих средах (вода, масло, воздух).

По таблице 3 приложения принимаем коэффициент теплоотдачи.

a_воды = 1163 Вт/м² ºС;

a_масло = 348,9 Вт/м² ºС;

a_воздух = 98,9 Вт/м²ºС.

Средний коэффициент теплопроводности l_ср(от температуры нагрева до температуры охлаждения) будет равен » 37,75 Вт/м² °С (по таблице 5 приложения). Зная l и R находим критерий Био по формуле (13):

при охлаждении в воде:

при охлаждении в масле:

при охлаждении на воздухе:

Определяем температурный критерий q(для случая охлаждения):

Для случая охлаждения в воде или на воздухе:

Для случая охлаждения в масле:

Тогда критерий Фурье, определенный по рисунку А.1, б (приложение):

при охлаждении в воде Fo= 0,4 (Bi = 9,03; θ = 0,21);

при охлаждении в масле Fo = 0,68 (Bi = 2,77; θ = 0,19); при охлаждении на воздухе Fo = 1,4 (Bi = 0,79; θ = 0,21).

Коэффициент теплопроводности взят для аустенитного состояния при 800ºС, λ = 26,7 Вт/мºС (таблица 5, приложение), теплоемкость С = 687 Дж/кгºС (таблица 6, приложение) и γ = 7830 кг/м³.

Определим коэффициент температуропроводности по формуле (21):

Критерий Фурье по формуле (20):

Тогда:

Подставляя значения Foдля различных сред охлаждения, находим: при охлаждении в воде:

при охлаждении в масле:

при охлаждения на воздухе:

4.2 Расчет времени охлаждения в среде о переменной

температурой

4.2.1 Расчет времени охлаждения в масле

Пример 5. Определить время охлаждения центра вала диаметром 200 мм, длиной 3 м, весом 700 кг с температурой 800ºС до 200ºС в баке о маслом объемом 4 м³ при начальной температуре масла 30ºС.

«Водяное число» масла при удельном весе γ_ж = 0,9 кг/л с теплоемкостью С_ж = 2,06 кДж/кгºС определим по формуле:

где V_ж – объем жидкости (масла);

γ_ж – удельный вес жидкости (масла);

С_ж – теплоемкость жидкости (масла).

«Водяное число» вала весом G_м = 700 кг и с теплоемкостью С_м = 0,687 кДж/кгºС (таблица 6, приложение) определим по формуле:

Отношение «водяных чисел»:

Подставляя значения, «водяных чисел» в уравнение (23) получим:

Следовательно, температура масла повысится с 30º до 78ºС, т.е. на 48ºС, а температура охлаждаемого металла снизится с 800º до 800 – 78 = 722ºС.

Принимая a =581,5 Вт/м²ºС (см. пункт 1.4), l =34,9 Вт/м²ºС (таблица 5, приложение).

Подставляя наеденные значения (для встречного потока) в уравнение (26) получим:

откуда:

Значение температурного коэффициента θ находим по формуле (19):

По значениям Bi_усл=1,61 и θ=0,17 по рисунку А.1, б (приложение) находим Fo=0,8, что соответствует расчетным данным по формуле (20), которая была преобразована в формулу (22), определяем время охлаждения:

Поскольку охлаждение ведется в баке с маслом, без принудительного охлаждения его происходит постепенное повышение его температуры за счет вносимого металлом тепла. Для того, чтобы при закалке не происходило резкого повышения температуры масла, рекомендуется принимать отношение веса жидкости к весу закаливаемого металла равным:

В нашем примере

4.2.2 Расчет времени охлаждения изделий при душевой закалке

Пример 6: Определить время охлаждения сложных профилей при душевой закалке: швеллера №20 (200×55×3,2 мм), уголка №9 (90×90×6 мм), балки №20 (200×65×3,2 мм) с температуры конца прокатки (1000ºС) до температуры начала самоотпуска 450ºС при закалке изделий обрызгиванием (душевая закалка) для малоуглеродистой и низколегированной сталей.

Определим вес изделий: