11.3. Расчетное определение параметров нагрева металла в печах

11.3.1. Тонкие и массивные тела

Нагрев металла является одной из главных операций термической обра­ботки, характеризуемой температурой и скоростью нагрева. Под температу­рой нагрева подразумевается конечная температура металла, при которой он выдается из печи. При этом металл должен быть нагрет одинаково по сече­нию, периметру и длине (определяют температуру в °С по поверхности нагреваемого металла). Скорость нагрева в град/час означает изменение температуры металла в единицу времени. О допустимой скорости нагрева изделий при термической обработке существуют различные мнения. Если раньше считалось, что посадка изделий в горячую печь недопустима, то в на­стоящее время для отдельных марок сталей практикуется загрузка изделий в печь при высокой температуре.

Американская практика рекомендовала для нагрева при закалке каждые 25 мм сечения изделия 1 час и 1/5 этого времени на выдержку. Эта скорость является явно заниженной. Тринкс дает более жесткую норму нагрева: 1 мин. на каждые 0,6 мм диаметра или минимального сечения, что состав­ляет на 25 мм 42 мин. Сейчас нагрев ведется с большими скоростями. В пер­вые повышенные скорости для нагрева изделий были предложены академиком Н.Н. Доброхотовым.

Сложность вопроса о скорости нагрева заключается в большом количестве факторов, влияющих на скорость нагрева. Особенно важными являются: а) теплопроводность, которая различна для стали разного состава; чем больше углерода и легирующих элементов в стали, тем ниже ее теплопроводность, и нагревать такую сталь нужно с меньшей скоростью; б) сечение изделия; чем оно крупнее, тем медленнее должен быть нагрев, так как вследствие раз­ницы температур между наружной и внутренней частями изделия возникают внутренние напряжения, которые могут привести при быстром нагреве к появлению трещин; в) форма изделия; чем она сложнее и чем больше в ней резких переходов от толстых к тонким частям, тем больше может быть его коробление и даже образование трещин.

Напряжения в стали появляются в интервале температур 0…500 °С. Выше этого предела сталь приобретает достаточную пластичность, и напряжения опасности не представляют. Нужно также учитывать и фазовые превращения. Опасным моментом в отношении появления трещин является большой пере­пад температур в начале нагрева между наружной частью и сердцевиной изделия, а также, когда температура наружной поверхности достигает кри­тической точки. При разработке режима нагрева нужно стремиться к мини­мальной продолжительности нагрева и к обеспечению требуемого качества. Неправильный нагрев может вызвать трещины (вследствие резких изменений температуры или недостаточной температуры нагрева, или неравномерного нагрева), перегрев, пережог, большое окисление, обезуглероживание и иногда науглероживание.

Расчеты времени нагрева изделий в практике термической обработки еще применяются недостаточно. Это объясняется сложностью существующих и отсутствием упрощенных методов тепловых расчетов.

Для расчетов времени нагрева и охлаждения изделий при термической обработке используются следующие свойства: теплопроводность, теплоем­кость, температуропроводность и коэффициент теплоотдачи.

Теплопроводность зависит от состава стали и температуры. С увеличе­нием содержания углерода и легирующих элементов теплопроводность уменьшается. Теплопроводность также снижается с ростом температуры (табл. 11.48). Теплопроводность стали в аустенитном состоянии равна 20…25 ккал/м·час·град.

Теплоемкость стали зависит от содержания углерода и температуры. С увеличением температуры теплоемкость возрастает. Обычно для рас­четов пользуются средней теплоемкостью за цикл нагрева. Величины сред­ней теплоемкости металлов представлены в табл. 11.49.

Для тепловых расчетов часто пользуются объемной теплоемкостью или теплоемкостью единицы объема с_υ = сγ ккал/м³ град, где γ — плотность сплава в кг/м³.

Температуропроводность - скорость изменения температуры изделия - представляет собой отношение коэффициента теплопроводности к объемной

теплоемкости: . Передача тепла нагреваемым изделиям в печах при высокой температуре происходит главным образом излучением; переда­чей конвекцией при высоких температурах можно пренебречь. Излучение стен, свода, пода печи и газов, имеющих разную температуру, можно заменить одним источником, имеющим среднюю температуру, называе­мую температурой печиt_печи в °С.

Таблица 11.48

Теплопроводность некоторых металлов и сплавов

Металлы и сплавы	Коэффициент теплопроводности λ при температуре в °С, ккал/м·час·град
	20	400	600	1000
Железо Сталь 20 50 У10 40Х, 40ХС Х,ШХ15,9ХС 30ХГС Р18 3Х2В8 Г13 Медь Латунь Л90 Бронза БрОС8-12 Алюминий Дюралюминий Серый чугун	66 62 56 40 42 37 34 21 20 10 337 88 41 174 137 42	46 40 39 30 32 30 28 24 20 14 315 143 54 278 225 36	36 32 30 27 28 26 25 23 20 16 307 168 62 364 300 34	24 24 22 20 21 20 20 24 22 20 - - - - - -

Таблица 11.49

Средняя теплоемкость некоторых металлов и сплавов

Металлы и сплавы	Средняя теплоемкость сСР в интервале температур от 0 °С до , ккал/кг
	20	400	800	1200
Железо Углеродистые и малолегированные стали Быстрорежущая сталь Р16 Медь Алюминий Серый чугун	0,108 0,110 0,095 0,091 0,220 0,130	0,124 0,128 0,107 0.099 0,228 -	0,155 0,164 0,127 0,107 - -	0,154 0,162 0,135 - - -

При термической обработке нагрев или охлаждение изделий может проис­ходить либо при постоянной температуре, либо при заданной скорости нагрева или охлаждения. При расчете времени нагрева различных тел удобно их разделить на «тонкие» и «массивные». Все металлы обладают высокой теп­лопроводностью. К тонким изделиям отнесем те, которые имеют при нагреве или охлаждении благодаря теплопроводности незначительный перепад температур по толщине изделия.

Для расчетов этот перепад температур вслед­ствие незначительности может не приниматься во внимание. Изделия, в кото­рых при нагреве или охлаждении нельзя пренебречь разностью температур поверхности и центра, будем относить к массивным телам. При такой раз­бивке всех нагреваемых изделий будут иметь значение их размеры, тепло­проводность и интенсивность нагрева или охлаждения. Изделие относительно больших размеров, но нагреваемое очень медленно, при нагреве может счи­таться тонким телом, так как перепад температур будет незначительным. И наоборот, чем интенсивнее будет нагрев или охлаждение, тем меньшие по толщине изделия должны быть отнесены к массивным телам.

При передаче тепла от внешней среды на границе металл — среда изде­лие будет испытывать внешнее сопротивление, которое обратно пропорцио­нально коэффициенту теплоотдачи от окружающей среды на поверхность металла и равна . Передача тепла внутри изделия будет испытывать вну­треннее сопротивление, обратно пропорциональное коэффициенту теплопро­водности и прямо пропорциональное толщине изделия.

Отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему тепловому сопротивлению представляет собой безразмерную величину и носит название критерия Био, обозначаемого:

где – внутреннее тепловое сопротивление пластины толщиной2S или цилиндра радиуса S; – внешнее тепловое сопротивление.

Критерием Био пользуются для установления границ тонких и массив­ных тел.

Если толщина изделия небольшая, а коэффициент теплопроводности высо­кий, то величина Bi будет очень малой. В этом случае нагрев будет зависеть от внешней теплоотдачи.

Такие тела не дают большие температурные перепады по сечению и от­носятся к тонким.

Если же толщина тела значительная, т. е. увеличивается внутреннее сопротивление и температурный перепад по сечению возрастает, становится больше и значение Bi; такие тела при нагреве и охлаждении считаются мас­сивными. За основную 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. Δt = 0,1(t_cp - t₀). Таким образом, если критерий Bi < 0,25, расчеты вы­полняются по формулам для тонких тел, если же Bi > 0,25, — по формулам для массивных тел. Исходя из значения Bi = 0,25, можно определить пре­дельные толщины тонких тел при разных термических операциях (табл. 11.50).

Таблица 11.50

Предельные толщины тонких тел (при Bi = 0,25)

Операции термической обработки	Среда нагрева или охлаждении	Температура среды, °С	Средний коэффициент теплоотдачи, ккал/м^2 час	Предельная толщина тела, рассчитывае­мого как тонкое, мм
Нагрев для закалки То же Нагрев для высокого отпуска Нагрев для низкого отпуска То же » Охлаждение	Воздух или печные газы Расплавленный хлористый барий Воздух или печные газы То же Масло Селитра Вода Масло Воздух	750-950 1200-1300 550-700 100-300 150-250 250-350 20-30 20-30 20-30	130 1000 80 30 300 300 5000-2000 1000-300 50-20	100 12 160 400 40 40 2-6 10-40 200-500
Примечание.Среднее значение коэффициент f теплопроводности стали λ принято 25 ккал/м∙час∙град, или 0,25 ккал/мм· час·град.