11.4.1.3. Длительность нагрева и охлаждения

Чем меньше масса и проще форма изделий, чем меньше содержание в стали легирующих элементов, чем однороднее ее макро- и микроструктура, тем более высокие скорости могут применяться.

При нагреве ответственных и сложных по форме изделий с учетом склонности металла к возникновению опасных напряжении ре­комендуется нагрев производить с подогревами, а охлаждение — с подстуживаниями. При этом подогревы часто осуществляют до температуры 600 °С, т. е. ниже температуры интенсивного окалинообразования, но выше температуры возможного охрупчивания.

Ряд термических операций в силу своей природы требует ско­ростного нагрева, например для обеспечения температурного пере­пада по сечению изделия при поверхностной закалке.

Существенное влияние на скорость и равномерность нагрева и охлаждения оказывает один из определяющих технологических фак­торов — коэффициент формомассы изделия, выражаемый отноше­нием S/V, где S — общая активная поверхность изделия или садки; V — объем того же изделия или садки. Коэффициент формомассы характеризует степень восприимчивости изделия (садки) к техно­логическому воздействию: при одинаковой интенсивности энерге­тического воздействия и одинаковых теплопроводности и темпера­туропроводности металла изделие или садка с меньшим коэффици­ентом формомассы нагреваются и охлаждаются медленнее.

Например, шар как тело, имеющее минимально возможную пло­щадь поверхности, будет нагреваться и охлаждаться медленнее тонкой пластины той же массы, но обладающей большим коэффи­циентом формомассы.

Однако при термообработке изделий сложной конфигурации с участками, сильно отличающимися друг от друга формой и массой, определить коэффициент формомассы изделия в целом бывает за­труднительно. Поэтому на основе коэффициентов вначале для каж­дого участка простой формы определяют скорости их нагрева и охлаждения, температурные перепады между ними, а затем по максимальным и минимальным значениям коэффициентов уста­навливают режим термообработки всего изделия.

Рис. 11.53. Характеристический размер некоторых деталей

Поскольку в изделии сложной формы трудно выявить все по­верхности и размеры, в основном определяющие общий коэффици­ент формомассы, вводятся другие коэффи­циенты, учитывающие размеры, массу и отношение поверхности к массе. Например, влияние формы и объема изделия (садки) мож­но учитывать величиной произведения характеристического разме­ра S (рис. 11.53) на коэффициент формы изделия k (табл. 11.90).

Нагрев изделий партиями. Большинство операций термообра­ботки производят групповыми способами, т. е. изделия загружа­ют садками или передаточными партиями. Теплопередача в садке зависит от числа и взаимного расположения изделий.

Таблица 11.90

Тело	Коэффициент формы k	Тело	Коэффициент формы k
Шap Куб Цилиндр Призма Кольцо	0,7 0,7 1,0 1,0 1,5	Пластина Труба	1,5 2,0 для коротких открытых труб; 4,0 для длин­ных труб и для закрытых труб (с заглушками)

В большой садке, состоящей из изделий сложной конфигурации при нерегламентированной их раскладке (навалом), весьма сложно выявить общий коэффициент формомассы и точно определить скорость на­грева и охлаждения. Большие сложности возникают также при определении скорости изменения температуры садки при плотной раскладке большого числа изделий, так как в ней образуются неподвижные прослойки печной атмосферы. Это может быть, на­пример, стопа тонких листов, моток проволоки, рулон тонкой лен­ты.

Рис. 11.54. Зависимость фактора раскладки от формы изделий и их

расположения в печи: S – характеристический размер

Факторы, определяющие время и равномерность нагрева и ох­лаждения таких садок, разнообразны, и их так много, что опре­делить характер изменения температуры во времени посредством расчета не представляется возможным; его можно выявить только опытным путем.

Методика приближенных расчетов разработана пока лишь для садок из простых по форме изделий, при несложной их укладке — в один или в несколько небольших рядов с соблюдением значи­тельных расстояний между изделиями и без учета отрицательного действия неподвижных прослоек среды (рис. 11.54).

Продолжительность нагрева в этих условиях определяется по формуле

,

где f — фактор раскладки (его значение в зависимости от распо­ложения изделий в печи даны на рис. 11.54); L_ω — коэффициент ле­гирования стали, значения которого приведены в табл. 11.91.

При просторной раскладке изделий в садке благодаря дейст­вию теплового излучения и циркуляции среды между изделиями значительно ускоряется нагрев, что во многих случаях может превысить удельную производительность по сравнению с обработкой изделий плотными садками.

Методы расчета. Расчеты времени нагрева необходимы для ус­тановления норм, определения температурных режимов при пере­ходе на обработку другой номенклатуры изделий, при разработке новых конструкций печей и других видов термического оборудо­вания.

Таблица 11.91

Сталь	Нагрев до температуры, °С
	600	850		1200
Камерная печь
Конструкционная сталь: нелегированная легированная Инструментальная сталь: нелегированная среднелегированная высоколегированная Быстрорежущая	1,70 (2,05) 1,80 (2,15) 1,70 (2,05) 1,95 (2,35) 1,95 (2,35) 2,25 (2,70)	0,70 (0,80) 0,80 (0,96) 0,70 (0,80) 1,10 (1,30) 1,20 (1,44) 1,35 (1,72)		— — — — 0,22 (0,27) 0,45 (0,54)
Соляная ванна
Конструкционная сталь: нелегированная легированная Инструментальная сталь: нелегированная среднелегированная высоколегированная Быстрорежущая	0,35 0,45 0,35 0,45 0,48 0,50		0,33 0,43 0,33 0,43 0,45 0,47		— — — — 0,11 0,18
Примечание.В скобках даны значения для случая электронагрева; остальные для пламенного нагрева.

При расчете анализируется главным образом теплообмен меж­ду рабочим пространством оборудования и садкой. При этом пере­дача теплоты, как к поверхности садки, так и внутрь ее происходит обычно за счет одновременно действующих различных видов теп­лообмена.

В применяемых в настоящее время инженерных методах рас­чета используют упрощенную модель системы, в которой тепло­обмен происходит между печью (внешним источником теплоты с заданными температурой и тепловым потоком) и садкой. Садку условно представляют одномерным телом, распространение тепло­ты в котором определяют по наиболее характерному ее размеру, чаще всего по толщине.

Точные расчеты требуют большого количества информации по взаимодействующим факторам и выполняются на основе матема­тического моделирования с использованием ЭВМ.

Изделия из углеродистых и даже легированных сталей часто нагревают с большими скоростями. Например, для штучных изде­лий из углеродистых сталей, нагреваемых в печах до температуры 800…1000 °С, ориентировочно устанавливают время нагрева, исхо­дя из следующего соотношения: 0,6…1,2 мин на 1 мм сечения (толщины пластины, диаметр цилиндра). Для легированных сталей время увеличивается на 40…70 %.

При нагреве в расплаве солей время сокращается в 2-3 раза, в расплавленном свинце — в 3-5 раз.

Время нагрева рассчитывают по уравнениям, учитывающим значение энергетического потенциала сечения изделия. Сопротивле­ние тепловому потоку от внешней среды к поверхности изделия (сопротивление внешнего порядка) обратно пропорционально ко­эффициенту теплоотдачи α, Вт/(м²∙К). Сопротивление потоку внутри изделия (сопротивление внутреннего порядка) прямо про­порционально определяющему размеру (расстоянию от самой го­рячей до самой холодной точек сечения) изделия s, м, и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности λ, Вт/(м∙К). Отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему пред­ставляет собой критерий (число) Био:

.

Если Bi < 0,25, то тела считают тонкими; если Bi > 0,5, то тела массивные (садки). Промежуток 0,25 < Bi < 0,5 является переход­ной областью, которую можно относить к области массивных тел, но при этом можно пользоваться методами расчета нагрева тонких тел.

При незначительном сечении изделий (тонкие тела) их внут­реннее сопротивление мало и нагрев определяется в основном внеш­ним тепловым потоком. При обработке изделий больших сечений (массивные тела) внутреннее сопротивление возрастает и нагрев замедляется.

Кроме указанных соображений при решении вопроса, являются ли изделия тонкими или массивными, большое значение имеет температурный градиент по их сечению. Если при скоростном на­греве тонких изделий образуется значительный градиент, то рас­считывать нагрев - х изделий нужно, как для массивных. И наоборот, при очень медленном нагреве у массивных изделий мо­жет получиться незначительный перепад температур по сечению, что дает возможность относить их к категории тонких.

При нагреве до высоких температур уравнение теплопередачи имеет вид

где q — плотность теплового потока, Вт/м²; С_пр — приведенный ко­эффициент излучения, Вт/(м²∙К⁴); Т_печи, Т_садки — текущие значе­ния температуры печи и садки, К.

Значения плотности потока при нагреве в низкотемператур­ном интервале определяют по формуле

,

где α — коэффициент теплоотдачи.

Нагрев тонких тел. При стабильном тепловом потоке Q продол­жительность нагрева или охлаждения тонких тел равна

,

где с — удельная теплоемкость металла при средней за время про­цесса температуре, Дж/(кг∙К); m — масса металла, кг; Т" — ко­нечная температура нагрева или начальная температура охлажде­ния, °С; Т’ — начальная температура нагрева или конечная темпе­ратура охлаждения, °С.

Нагрев массивных тел (садок). В массивных садках сопротив­ление теплового потока от поверхности вглубь, а также перепады температуры по сечению существенно влияют на характер тепло­вого потока и на длительность нагрева. При нагреве и охлаждении массивной садки в условиях постоянной температуры рабочего пространства используют графики, приведенные в литературе.

Заслуживает также внимания упрощенный метод определения скоростей нагрева, предложенный А. П. Гуляевым, который учиты­вает совокупность таких технологических факторов, как геометрия изделий, характер внешней среды и равномерность теплового по­тока. При этом расчет ведут по формуле

,

где τ — время нагрева, мин; D — геометрическая характеристика (наименьший размер сечения) изделия, мм; k₁, k₂, k₃ — коэффици­енты формы среды и способа нагрева соответственно, значения которых для некоторых случаев даны ниже:

Форма изделия	k1	Нагревательная среда	k2	Вид нагрева	k3
Шар Цилиндр Параллелепипед Пластина	1 2 2,5 4	Свинец Расплав соли Газ (воздух)	0,5 1 2	Всесторонний Трехсторонний Односторонний	1 1,5 4

Время нагрева изделий сложной формы часто устанавливают по длительности полного (сквозного) прогрева наиболее массив­ных сечений изделия, которые нередко выполняют второстепенные функции при эксплуатации. Это не только удлиняет время всей операции, но и часто приводит к тому, что быстро нагреваемые тонкие участки, обычно испытывающие при работе наибольшие нагрузки, передерживаются и в результате имеют пониженные по­казатели качества.