2.3 Рациональные температурные режимы нагрева металла

Под режимом нагрева подразумевают обычно закон изменения температуры поверхности и наиболее «холодной» точки нагревае­мого тела, а также среды во времени. В случае симметричного подвода тепла к поверхности тела такой наиболее «холодной» точкой является центр тела, а при одностороннем нагреве — точка, наиболее удаленная от тепловоспринимающей поверхности.

Рациональный режим нагрева металла должен обеспечить удовлетворение ряда требований, некоторые из которых входят в противоречие друг с другом. Прежде всего, необходимо обеспечить решение технологической задачи, т. е. нагреть слиток или заго­товку до заданной конечной температуры и довести разность тем­ператур по сечению до регламентированной величины. Стремле­ние осуществить эту операцию по возможности быстрее сопря­жено с повышением скорости нагрева, что влечет за собой увеличение перепада температур по сечению на начальной ста­дии нагрева, когда существует опасность возникновения трещин в металле вследствие термических напряжений. Длительная выдержка металла при высокой температуре его поверхности, требующаяся для достижения заданной конечной равномерности на­грева, приводит к усиленному окислению поверхности.

Все эти факторы должны быть учтены при выборе режима нагрева металла. Пути решения этих вопросов во многом опреде­ляются тем, насколько велика разность температур, возникающая по сечению нагреваемого тела.

Как уже отмечалось выше, разность температур по сечению при нагреве и охлаждении тел стремится к нулю при условии Bi0.

Такие тела называют термически тонкими в от­личие от массивных, в которых возникает существенная разность температур по сечению. Г. П. Иванцов установил, что практичес­ки пренебрежимая разность температур по сечению имеет место при условии Bi ≤ 0,25. Эта оценка справедлива для условий осу­ществляемых в металлургии технологических процессов, включа­ющих нагрев и охлаждение металла. При значениях Bi  0,5 возникающей разностью температур пренебрегать нельзя, и такие тела следует рассматривать как массивные, т.е. учитывать возни­кающую неравномерность температуры по сечению слитков и за­готовок при выборе режима их нагрева.

Значениям 0,25 < Bi < 0,5 соответствует переходная область. Для учета теплоотдачи излучением к поверхности металла от стен печи и от продуктов сгорания в критерий Био подставляют значение суммарного коэффициента теплоотдачи излучением и конвекцией

Выбор режима и метод расчета нагрева определяются в пер­вую очередь степенью тепловой массивности слитков и заготовок и поэтому в дальнейшем эти две категории тел (тонкие и мас­сивные) будут рассматриваться отдельно.

Режимы нагрева термически тонких тел

б

Из приведенного выше следует, что при нагреве тонких тел возникающими в них термическими напряжениями можно пренебречь. Поэтому скорость нагрева в этом случае не ограничена никакими внутренними факторами. Следовательно, режим нагрева тонких тел следует выбирать таким образом, что­бы продолжительность нагрева до заданной температуры была как можно меньше, исходя из соображений повышения производи­тельности печи и уменьшения количества образующейся окали­ны.

а

Рис. 2.1.а Одноступенчатый режим нагрева тонких тел: Т₀, Т_пов, Т_цен, Т_кон, Т_н - соответственно температуры печи, поверхности, центра, конечная и начальная

Рис. 2.1.б Двухступенчатый ре­жим нагрева тонких тел

Режим, удовлетворяющий этому требованию, характеризуется постоянной температурой греющей среды либо во времени, либо по длине рабочей камеры (в зависимости от характера работы ус­тановки — периодического или непрерывного). Таким образом, имеет место одна ступень нагрева от начала до конца и поэтому такой режим называется одноступенчатым (рис. 2.1.а). Очевид­но, что чем выше температура греющей среды, тем больше плот­ность теплового потока к поверхности нагреваемого тела и тем меньше продолжительность нагрева. Надо, однако, помнить, что интенсификация внешнего теплообмена влечет за собой увеличе­ние разности температур по сечению нагреваемого тела. Другими словами, критерий Био может выйти за предел области тонких тел и тогда то же самое физическое тело надо будет рассматривать как массивное.

При выборе режима нагрева металла (в том числе и термически тонкого) все­гда принимают во внимание и пробле­мы энергосбережения. Одним из путей решения задачи экономии топлива в пе­чах непрерывного действия является по­вышение степени использования энталь­пии продуктов сгорания посредством организации взаимнопротивоточного движения металла и газов с устройством неотапливаемой (так называемой мето­дической) зоны в печи.

Поэтому нагрев термически тонких тел осуществляют и по двухступенчатому режиму. Однако это не дик­туется требованиями, вытекающими из закономерностей самого процесса нагрева, а обусловлено стремлением понизить температуру уходящих из печи газов за счет более полного ис­пользования их тепла в рабочем про­странстве. Для двухступенчатого режима ха­рактерно наличие участка с изменяю­щейся температурой греющей среды и участка с постоянной температурой (рис. 2.1.б). Следует, однако, иметь в виду, что интенсивность теплоотдачи при таком режиме нагрева будет ниже и, соответственно, общее время нагрева больше.