Режимы нагрева металла в нагревательных и термических печах

1 – под печи

2 – боковые стены

3 – свод

4 – горелочное устройство

5 – пламя или факел

6 – нагреваемые изделия (заготовки)

Рисунок 3.1 – Простейший рисунок камерной печи

Рассмотрим термические режимы нагрева стали перед обработкой давлением (ковкой, штамповкой, прокаткой). Термический режим нагрева должен обеспечить требуемую температуру заготовки (заданную технологом в зависимости от марки стали, приблизительно 1200 °С), получение равномерного прогрева по сечению заготовки и по длине заготовки, сохранение целостности заготовки, минимальное обезуглероживание поверхностного слоя и минимальный отход металла в окалину (угар).

Время нагрева металла до заданной температуры зависит от температуры рабочего пространства печи , формы, сечения и размеров заготовки, физических свойств металла (теплоемкости, коэффициента теплопроводности, коэффициента температуропроводности), способа укладки заготовок на под печи.

Круглые заготовки нагреваются быстрее, чем квадратные и прямоугольные, а заготовки, уложенные в разрядку (с интервалом) нагреваются быстрее, чем заготовки, уложенные вплотную. Чем выше температура рабочего пространства печи, тем меньше время затрачивается на нагрев заготовки. Разница между температурой рабочего пространства печи и требуемой температурой нагрева называется температурным напором. При обычном нагреве температурный напор составляет 100-150 °С, а при скоростном нагреве – 200-300 °С.

Скоростной нагрев в пламенных печах протекает в 3-4 раза быстрее по сравнению с обычным нагревом. Такому скоростному нагреву подвергаются заготовки из конструкционной углеродистой стали диаметром или стороной квадрата до 100 мм. Он допускает прогрев около 1 см толщины заготовки за 1 минуту. Скоростной нагрев стали снижает угар металла до 1 % (при обычном нагреве до 3 %.), уменьшает обезуглероживание поверхностного слоя, повышает производительность печи, а значит снижает удельный расход топлива на нагрев металла. При нагреве происходит неравномерное расширение металла, поверхностные слои, нагретые до более высоких температур, расширяются больше, чем внутренние слои. Расширение поверхностных слоев притормаживается соседними внутренними слоями, которые при этом будут растягиваться вследствие расширения наружных, в результате этого наружные слои металла при нагреве будут испытывать напряжение сжатия, а внутренние слои – напряжение растяжения. Напряжения, возникающие в металле вследствие неравномерного прогрева, называются температурными или термическими напряжениями. Они тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки. Термические напряжения могут возрасти на столько, что будет нарушена целостность металла (образуются трещины). Вероятность разрушения металла будет больше у высоколегированных и легированных сталей (хромоникелевых сталей), а также при нагреве крупных заготовок из углеродистой стали, поэтому металлы необходимо нагревать с определенной допустимой для него (для марки стали) скоростью нагрева.

Для ориентировочного определения времени нагрева стальных заготовок D > 150 мм или слитков до температуры начала обработки давлением t < 1300 °С обычным способом в пламенных печах можно использовать формулу Доброхотова и Копылова.

………………………..(3.6)

где - коэффициент, зависящий от расположения заготовок на поду печи;

Для одиночной заготовки , для цилиндров, уложенных в ряд , для квадратов, уложенных вплотную . будет уменьшаться при увеличении зазора между заготовками.

- коэффициент, равный для конструкционной углеродистой и низколегированной стали , для высоколегированной стали ;

- диаметр или толщина заготовки в метрах.

Из курса тепломассообмена известно, что интенсивность нагрева (охлаждения) тела характеризуется критерием Био:

,

где l – характерный размер (для пластины при симметричном нагреве это , а при несимметричном (с одной стороны) - . Для цилиндра и шара это радиус)

Если , то разность температур между поверхностными и внутренними слоями практически нет (). Такие тела получили название термически тонкие тела. Для термически массивных тел характерно возникновение заметной разности температур по толщине нагреваемого материала () и .

Термически тонкое тело ()

В зависимости от термической массивности применяют разные режимы нагрева: одноступенчатый, двухступенчатый, трехступенчатый.

Рассмотрим одноступенчатый нагрев тонкого тела:

t_f = const, α_пов = const, граничные условия 3 рода

двухступенчатый нагрев:

Рассмотрим двухступенчатый нагрев термически массивного тела (Bi>0,5)

Условия нагрева термически массивных тел определяется допустимыми перепадами температур по сечению тела ().

Первый период может осуществляться замедленно рис. 3.4–а, либо ускоренно рис.3.4-б.

Конечная разность температур по сечению задается технологическим процессом нагрева. Ускоренный режим нагрева в 1 периоде (б) возможен для низкоуглеродистых сталей и невозможен для конструкционных высоколегированных сталей. Ускоренный режим нагрева уменьшает угар металла (отходы металла в окалину) и уменьшает расход топлива на нагрев. При ускоренном режиме нагрева (б) во втором периоде температура на поверхности остается постоянной и условия нагрева определяют внутренний теплообмен (время распространения теплоты в теле), т.е. определяется и толщиной изделия , а первый период определяется температурой газа, а следовательно и . Чем больше разность температур между температурой атмосферы печи и поверхности металла, тем больше будет передаваться теплоты в этом периоде.

Трехступенчатый нагрев массивного тела предназначен для таких тел, для которых термическое напряжение представляет значительную опасность (могут привести к образованию трещин и нарушению целостности металла, к таким телам относятся крупные слитки холодного посада, например корпус ядерного реактора, вал турбины (заготовка) и непрерывно литые слябом.

Первый период нагрева с пониженной скоростью продолжается до достижения температуры в центре заготовки до температуры перехода металла в пластическое состояние, после чего термические напряжения не опасны.

Подводя итог: нагрев термически тонких тел лимитируется только условиями внешней теплоотдачи (коэффициент α на поверхности). Нагрев же термически массивных тел лимитируется условиями внешнего теплообмена только до момента достижения на поверхности заданной температуры, в дальнейшем лимитируется условиями внутренней задачи (λ, δ).

Основным правилом проектирования печей с точки зрения энергоэффективности является увеличение удельной поверхности нагрева, т.к. только поверхностью нагрева можно повлиять на условия внутренней задачи теплообмена (мы знаем, что время нагрева металла в печи зависит от отношения поверхности тела к его объему и самое большое у шара).

Дата добавления: 2014-01-04