Режимы нагрева термически массивных тел

В отличие от нагрева термически тонких тел при нагреве мас­сивных возникают обстоятельства, при которых необходимо уве­личить продолжительность пребывания слитков и заготовок в пе­чах. К ним относятся в первую очередь неравномерность нагрева по толщине и связанные с ней термические напряжения, что не позволяет применять одноступенчатый режим нагрева.

Возникновение термических напряжений, представляющих опасность в начале нагрева (до температуры перехода из упругого состояния в пластическое), приводит к необходимости снижать скорость нагрева в этом интервале до такой величины, при кото­рой разность температур по сечению не превышает допустимого значения.

К выбору скорости нагрева на начальном участке сле­дует отнестись особенно внимательно в случае нагрева сплавов с невысокой теплопроводностью. В слитках из таких сплавов воз­никает большая разность температур между поверхностью и цен­тром, вызывающая соответственно более высокие термические на­пряжения.

Наличие существенной разности температур по сечению слит­ка или заготовки в конце нагрева, при которой они не могут быть выданы из печи, заставляет либо снижать скорость нагрева во всем температурном интервале нагрева, либо предусматривать период (или зону) выдержки металла в печи. Назначением периода выдержки является устранение чрезмерной разности темпера­тур по сечению при неизменной температуре поверхности. Сле­дует иметь в виду, что если пониженная скорость нагрева в на­чальный период не приводит к заметному увеличению окисления металла, то даже небольшое увеличение продолжи­тельности его пребывания в печи при высокой температуре по­верхности сопряжено с существенными дополнительными поте­рями металла с оксидами.

Все эти соображения вызывают необходимость выбора и рас­чета рационального режима нагрева в каждом конкретном слу­чае. Режим нагрева должен обеспечивать минимальную продол­жительность пребывания металла в печи при безопасной (с точ­ки зрения термических напряжений) скорости нагрева и при допустимой (с технологической точки зрения) конечной разности температур по сечению.

Многообразие размеров и форм слитков и заготовок из самых различных сплавов с существенно разными теплофизическими характеристиками обусловливает и разнообразие применяемых на практике конкретных режимов нагрева массивных тел. Естествен­но, что описать все эти режимы нагрева невозможно. Поэтому все многообразие применяемых в промышленной практике режи­мов нагрева целесообразно свести к типовым режимам  схемам. В качестве таковых можно представить двухступенчатый и трех­ступенчатый режимы нагрева массивных тел с модификациями в рамках каждой схемы. Такие модели позволяют установить под­ход к математическому описанию и анализу реальных процессов нагрева, выяснить лимитирующие факторы процесса и определить порядок расчета нагрева металла в печах.

Двухступенчатый режим нагрева состоит из двух последо­вательных периодов. Условия теплообмена металла со средой в каждом из этих периодов определяются как допустимыми скоро­стями нагрева, так и реальными возможностями подвода тепла к нагреваемой поверхности в печах разных конструкций. В соот­ветствии с этим первый период нагрева может осуществляться либо замедленно, либо ускоренно.

Так, если термические напряжения представляют опасность для слитка или заготовки (в случае, например, большой толщины на­греваемого тела, нагрева легированной стали с низкой теплопро­водностью и т.д.), то первый период нагрева следует осуществ­лять замедленно. Замедленный нагрев получается, если нагреваемую заготовку поместить в печную камеру с пониженной темпе­ратурой и затем постепенно повышать температуру по мере про­грева металла. Такого рода условия имеют место при холодном посаде слитков в нагревательные колодцы. Замедленный нагрев в первом периоде обусловлен иногда и условиями тепловой работы самой печи и может быть проведен (так же как и в случае двухступенчатого нагрева тонких тел), даже если по условиям терми­ческих напряжений он и не требуется. Примером может служить любая методическая печь, где в методической зоне, играющей роль теплоутилизирующего устройства, происходит замедленный нагрев при постепенно возрастающей температуре греющей сре­ды. Условия теплообмена среды с металлом при этом практичес­ки близки к нагреву с постоянной плотностью теплового потока.

Второй период нагрева в этом случае осуществляют при посто­янной температуре греющей среды (рис. 2.2.а). Температура по­верхности в течение второго периода достигает заданной величи­ны, а разность температур по сечению успевает сократиться к моменту завершения второго периода и не превышает допустимо­го значения, обусловленного требованиями технологии обработки металла.

В том случае, когда термические напряжения, возникающие при нагреве, не представляют опасности (и если позволяет кон­струкция печи), период нагрева можно интенсифицировать путем загрузки холодных заготовок в среду с постоянной повышенной температурой (рис. 2.2.б).

Рис. 2.2. Двухступенчатый режим нагрева:

а — замедленный нагрев в первом периоде; б — ускоренный нагрев в первом периоде

Уровень температуры среды и определяемые им тепловые потоки к металлу в этом случае следует выбирать таким образом, чтобы разность температур в нагревае­мом металле не превышала предельно допустимого значения.

Опасность перегрева тепловоспринимающих поверхностей (а также ребер) заготовок заставляет снижать температуру среды во втором периоде и осуществлять выдержку при постоянной тем­пературе поверхности металла. Расчеты и опыты показывают, что вариант двухступенчатого режима с форсированным нагревом в первом периоде дает существенное сокращение продолжительно­сти нагрева, приводящее к повышению производительности пе­чей и уменьшению потерь металла вследствие его окисления, но неизбежно сопровождается более высоким удельным расходом топлива и снижением коэффициента полезного теплоиспользования в печи.

Трехступенчатый режим нагрева позволяет более эффектив­но нагревать массивные тела, для которых термические напряже­ния представляют значительную опасность. В первую очередь это относится к слиткам холодного посада и литым слябам и заготов­кам, получаемым на машинах непрерывного литья и отличающим­ся высоким уровнем остаточных напряжений, причем особое вни­мание следует уделять сплавам с низкой теплопроводностью.

Рис. 2.3 Трехступенчатый режим нагрева металла

К

а

б

ак видно из рис. 2.3, в первом периоде — периоде нагрева с пониженной скоростью — процесс осуществляется при посте­пенно возрастающей температуре греющей

среды, обычно при почти постоянной плотности теплового потока к поверхности. Величину плотности теплового потока выбирают исходя из допус­тимой разности температур по сечению. Период нагрева с пони­женной скоростью продолжается до достижения в центре слитка температуры перехода из упругого состояния в пластическое, пос­ле которой термические напряжения не опасны. Во втором периоде ускоренный нагрев ведут либо при постоян­ной температуре среды, как это имеет место в методических печах при переходе металла в сварочную зону (рис. 2.3. а), либо при возрастающей температуре среды,

что характерно для режима на­грева крупных слитков холодного посада в колодцах (рис. 23.б). В обоих случаях после периода ускоренного нагрева, когда по­верхность металла достигла конечной температуры, следует тре­тий период — период выдержки, когда происходит выравнивание температуры по сечению. В течение этого периода достигается требуемая равномерность нагрева металла по сечению. При этом пониженная температура уходящих из печи газов в течение пер­вого периода нагрева создает предпосылки для уменьшения удель­ного расхода топлива и повышения коэффициента полезного теплоиспользования.