2.2 Режим нагрева и охлаждения

Кроме температурного интервала необходимо устанавливать режимы нагрева и охлаждения. Установление режимов нагрева заготовок под горячую обработку включает в себя:

1. Температуру печи перед посадом металла.

2. Скорость нагрева в интервале температур до 700ºС.

3. Время выдержки в интервале фазовых превращений.

4. Скорость нагрева в интервале высоких (больше 700 ºС) температур.

5. Время выдержки при температуре обработки.

Температура печи устанавливается в зависимости от марки стали, формы и размеров профиля нагреваемого металла.

Скорость нагрева – повышение температуры металла в градусах за единицу времени. Скорость нагрева заготовок при прочих равных условиях для разных сплавов зависит не только от теплопроводности, но и от температуропроводности:

, (2.1)

где – температуропроводность; – теплопроводность;

– удельная теплоемкость; – плотность.

С повышением температуры теплопроводность и температуропроводность понижается, причем у легированных сталей это понижение менее интенсивно, чем у углеродистых.

Наибольшая технически возможная скорость нагрева заготовок определяется не только температуропроводностью металла, а зависит в первую очередь от температурного напора печи, размеров сечения нагреваемой заготовки, отношения облучаемой поверхности к объему заготовки и других условий теплопередачи.

Чем больше температурный напор, тем быстрее нагревается заготовка. При этом имеет место большой температурный градиент между поверхностью и серединой нагреваемой заготовки. Быстрый нагрев металла может привести к образованию микро- и макротрещин за счет термических напряжений. При температуре фазовых превращений происходит неодновременность объемных изменений в разных слоях заготовки, вызываемая фазовыми превращениями.

Следует отличать технически возможную скорость нагрева от допустимой скорости нагрева, превышение которой приводит к появлению микро- и макротрещин.

Допустимая скорость нагрева зависит от пластичности, температуропроводности металла, размеров его сечения, структуры металла.

Продолжительность нагрева заготовок является одним из наиболее важных вопросов технологии кузнечного производства. На продолжительность нагрева влияют: форма и размеры заготовки, теплопроводность, температура печи и тепловой напор, конечная температура заготовки.

В зависимости от допустимой скорости нагрева и определяется продолжительность нагрева металла. Ориентировочно общее время нагрева стали до 1200˚С в камерных печах можно определить по формуле Н.Н. Доброхотова:

, (2.2)

где – коэффициент, учитывающий способ укладки заготовки круглого и квадратного сечения на поду печи (рисунок 2.1);

– коэффициент, учитывающий содержание углерода и легирующих элементов в стали (малоуглеродистая сталь ; высоколегированная сталь );

– диаметр или сторона квадрата заготовки.

Рисунок 2.1 – Значения коэффициента , учитывающего способ укладки заготовки круглого и квадратного сечения на поду печи

Фактическое время нагрева меньше времени нагрева, рассчитанного по формуле Н.Н. Доброхотова. Для определения фактического времени нагрева необходимо пользоваться нормативными данными или справочной литературой.

Индукционный нагрев основан на передаче на малые расстояния сформированного потока электромагнитной энергии и превращения ее в тепловую в заготовке. Формирование потока электромагнитной энергии осуществляется с помощью индуктирующих катушек – индукторов, которые подключаются к генераторам переменного тока различных стандартных частот. При помещении в индуктор стальной заготовки по закону электромагнитной индукции в ней возникает переменный электрический ток, под действием которого в заготовке выделяется тепловая энергия.

Глубина проникновения тока при индукционном нагреве определяется по формуле:

, (2.3)

где , – частота тока;

– магнитная проницаемость материала заготовки;

– удельная электрическая проводимость среды.

В таблице 2.1 представлены значения глубины проникновения тока в некоторых металлах при различных частотах и температурах.

Для сквозного нагрева стальных заготовок различного диаметра рекомендуется применять частоты, указанные в таблице 2.2.

При окончательном выборе высокочастотного преобразователя для сквозного индукционного нагрева заготовок определенной номенклатуры предпочтение следует отдавать минимально допустимым частотам.

Время нагрева заготовки при использовании тока той или иной частоты определяют по таблицам и графикам, которые составлены по опытным данным для широкой номенклатуры заготовок и частот.

Таблица 2.1 – Глубина проникновения тока в металл

Материал	Температура, ˚С	Удельное электрическое сопротивление ,	Относительная магнитная проницаемость	Глубина проникновения тока в металл при различных частотах (Гц), мм
				50	1000	2500	8000	70000	150000	250000
Сталь	20	10	60	2,8	0,64	0,40	0,22	0,07	0,05	0,04
	1000	130	1	85,5	19,0	12,0	6,7	2,2	1,55	1,2
Медь	20	2	1	9,5	2,1	1,34	0,75	0,35	0,16	0,13
	1000	10	1	23,5	5,1	3,3	1,8	0,55	0,39	0,32
Латунь	20	7	1	18,7	4,2	2,57	1,48	0,45	0,32	0,26
	850	14,7	1	27,4	6,1	3,86	2,16	0,66	0,47	0,39
Алюминий	20	2,9	1	12,0	2,7	1,7	0,95	0,31	0,21	0,17
	600	14,3	1	24,0	5,4	3,4	1,7	0,6	0,42	0,34

Таблица 2.2 – Рекомендуемая частота тока индуктора

Частота тока индуктора, Гц	500	1000	2500	4000	8000	и более
Диаметр нагреваемой заготовки, мм	90 – 180	60 – 120	40 – 80	30 – 60	20 – 40	20 и менее

В таблице 2.3 приведены значения времени нагрева заготовок из углеродистой конструкционной стали различного диаметра токами стандартных частот при обычном и ускоренном режимах нагрева.

Обычный режим нагрева, как правило, осуществляется при удельной мощности, близкой к постоянной, в индукторах, витки которых равномерно распределены по всей длине. Главное преимущество обычного режима нагрева в простоте индуктора и в возможности использования его для нагрева заготовок, близких по диаметру, но отличающихся по длине.

Таблица 2.3 – Время нагрева (с) до 1250˚С стальных цилиндрических заготовок током стандартных частот

Диаметр заготовки, мм	Частота тока, Гц
	500		1000		2500		4000		8000		10000
	О	ПТП	О	ПТП	О	ПТП	О	ПТП	О	ПТП	О	ПТП
20	–	–	–	–	–	–	–	–	10	4	11	4,5
30	–	–	–	–	–	–	–	–	28	12	31	12,5
40	22	9	30	12	43	18	50	20	58	24	61	25
50	–	–	–	–	–	–	–	–	100	40	101	41
60	72	32	96	39	123	50	134	56	148	60	151	61
70	–	–	–	–	–	–	–	–	205	83	212	86
80	162	66	202	82	243	98	259	105	278	112	283	114
100	295	119	350	141	403	163	425	172	449	181	455	183
120	467	188	538	217	605	244	632	255	660	266	667	269
140	681	275	767	310	848	342	880	355	–	–	–	–
160	936	378	1038	419	1131	457	1170	472	–	–	–	–
180	1232	498	1349	545	1456	588	1500	606	–	–	–	–
200	1568	633	1700	686	1822	735	1870	755	–	–	–	–
Примечание. О – обычный нагрев, ПТП – нагрев при постоянной температуре поверхности.

Ускоренный нагрев применяется, как правило, для заготовок одинаковой длины и требует переменной удельной мощности, передаваемой заготовке в течение всего цикла нагрева. Для этого применяются индукторы усложненной конструкции с неравномерной плотностью витков по длине. Главным преимуществом устройств для ускоренного режима нагрева является меньшая длина индуктора при одной и той же производительности процесса в сравнении с длиной индуктора для обычного режима нагрева.

При выборе источника питания (преобразователя частоты) и силового электротехнического оборудования индукционной технологической установки необходимо знать мощность нагревателя. Исходными данными для расчета являются: диаметр нагреваемой заготовки, необходимая производительность (кг/ч) и температура нагрева (°С).

Мощность (кВт), выделяемая в нагреваемой заготовке, определяется по формуле:

, (2.4)

где с – удельная теплоемкость нагреваемого металла, Дж/(кг·°С);t – температура иагрева, °С; G – необходимая производительность, кг/ч.

Полезная мощность индукционного нагревателя должна всегда превышать полезную мощность , выделяемую в нагреваемой заготовке, на величину тепловых и электрических потерь, которые учитываются общим коэффициентом полезного действия (η = 0,5÷0,6): .

Основной элемент индукционной установки – индуктор.

Удовлетворительный нагрев обеспечивается при следующих геометрических соотношениях размеров индуктора и заготовки: внутренний размер (диаметр, сторона) сечения индуктора должен быть в 1,5–2 раза больше диаметра или стороны перпендикулярного сечения заготовки, а длина катушки индуктора должна превышать длину одной заготовки или суммарную длину нескольких заготовок на один – два диаметра (стороны сечения) нагреваемого металла.

Толщина тепловой изоляции индуктора может быть выбрана в зависимости от диаметра нагреваемой заготовки (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Определение толщины теплоизоляции индуктора в зависимости от диаметра заготовки

Диаметр заготовки, мм	5	60–125	130–170	170 и более
Толщина тепловой изоляции, мм	10–15	15–20	25–35	35–40

Витки индуктора должны быть расположены таким образом, чтобы не было встречного электромагнитного поля.

В индукционных нагревательных установках индуктор рекомендуется устанавливать горизонтально или с небольшим наклоном. Вертикальное расположение оси индуктора нежелательно из-за значительного угара металла (до 3 %) вследствие большого притока воздуха из окружающего пространства в индуктор.

Безокислительный индукционный нагрев можно производить в индукторах, снабженных у входного и выходного концов камерами или полностью помещенных в камеру. Камеры заполняются защитными инертными газами.

В таблице 2.5 приведены параметры индукторов и режимы индукционного нагрева стальных заготовок. Эти параметры и режимы получены из практики индукционного нагрева заготовок перед штамповкой на отечественных заводах и могут служить справочными данными при выборе, разработке и изготовлении аналогичных новых индукторов.

Таблица 2.5 – Параметры индукторов и режимы нагрева стальных заготовок

Заготовка			Индуктор				Режим
Диаметр, мм	Длина, мм	Масса, кг	Внутренний диаметр, мм	Длина обмотки, мм	Число витков	Число заготовок в индукторе	Частота тока, кГц	Напряжение , В	Средняя мощность генератора, кВт	Темп выдачи заготовки, с	Время нагрева заготовки, с	Производительность, кг/ч
Обычный нагрев
56	230	4,4	120	1160	79	5	1	750	240	23	115	690
70	140	4,15	120	1160	79	8	1	750	350	13	104	1150
34	150	8,15	80	1400	47	1	2,5	650	150	73	73	400
48	1415	20	100	1600	54	1	2,5	650	190	130	130	550
48	145	2,0	100	540	40	3	2,5	750	80	31	93	230
48	560	7,9	100	650	48	1	2,5	750	140	70	70	405
55	110	2,0	100	650	48	5	2,5	750	125	20	100	360
65	700	18,1	130	760	40	1	2,5	750	160	140	140	460
65	150	3,9	130	760	40	4	2,5	750	155	33	132	425
19	30	0,066	45	150	10	5	8	127	15	9	45	26
25	140	0,54	80	475	28	3	8	750	80	12	36	165
26	120	0,5	80	560	33	4	8	750	70	14	56	130
Ускоренный нагрев
120	215	19,0	174	1880	57	8	1	860	650	33	265	2060
95	120	6,6	140	1200	61	9	1	750	465	16	144	1490
80	160	6,3	130	1680	37	10	2,5	1000	485	12	120	1510
70	140	4,2	120	1680	40	12	2,5	1000	540	9	108	1680

Режим охлаждения поковки после обработки давлением имеет такое же значение, как и режим нагрева.

Скорость охлаждения влияет на величину термических напряжений. При переходе через критический интервал температур возникают структурные напряжения. В легированных сталях происходит поверхностная закалка при быстром охлаждении, что трудно устранить даже при отжиге.

Существуют следующие виды охлаждения в зависимости от размеров и химического состава (таблица 2.6).

Таблица 2.6 – Виды охлаждения сталей

Cтали с содержанием углерода < 0,5% Легированные стали с углеродом <0,3%	на воздухе
Поковки с повышенным содержанием Si (до 2%) и Mg (до 2%)	на воздухе с укладкой в штабель
Высоколегированные стали Средне углеродистые стали с Cr и Ni	в колодцах
Высокоуглеродистые легированные стали	в колодцах с песком, золой или окалиной
Углеродистые инструментальные и легированные стали Х12М, У8, У9, У10	в колодцах с песком или золой
ШХ15	до 650˚С – на воздухе, а далее – в печах
Крупные поковки из легированных сталей	в печах
Детали, откованные по частям (колонна пресса)	в печах