3.3 Нагрев слитков

Основой термического режима ковки являются общая продол­жительность и скорость нагрева металла. Различают макси­мально возможную и допустимую скорости нагрева металла. Максимально возможная скорость нагрева стали зависит от конструкции и тепловой мощности печи; условий передачи теплоты металлу; физических свойств металла и условий теплопередачи внутри слитка. Допустимая скорость нагрева опре­деляется комплексом физико-химических свойств металла, при этом учитывают опасность перенапряжения литого металла и не­обходимость обеспечения нормальных условий при последующей деформации слитков.

Установлено, что наиболее опасным является период нагрева стальных слитков примерно до 500° С. При нагреве наружный слой слитка приобретает более высокую температуру, чем средняя часть. Этот слой стремится расшириться, чему препятствует сред­няя часть слитка; в результате образуются опасные радиальные напряжения растяжения. Неметаллические включения, пузыри, растворенные карбиды играют при этом роль концентраторов напряжений, приводящих к трещинам. При достижении крити­ческой температуры в поверхностном слое заготовки происходит уменьшение объема (при переходе Fe_α в Fe_γ, обладающее большей плотностью), вследствие чего напряжения снижаются и могут даже изменить свои знаки. Когда весь металл достигнет темпе­ратуры выше критической, наружные слои заготовки окажутся в сжатом, а внутренние — в растянутом состоянии. Однако к этому времени сопротивление деформации снижается настолько, что под влиянием тепловых напряжений может произойти местная пластическая деформация в отдельных перенапряженных местах, что в конечном счете приводит к уменьшению напряжений. Пере­напряжения при нагреве более вероятны у крупных слитков и слитков из малопластичных сплавов сложного состава. По­скольку трещинообразование происходит при растягивающих напряжениях, особенные опасения вызывает также охлаждение металла.

Вопросы, связанные с расчетом нагрева, занимали ученых на протяжении многих десятилетий. В настоящее время применяют методы расчета, учитывающие условия нагрева, при которых основными источниками передачи теплоты являются конвекция и лучеиспускание. Относительно точные методы аналитических расчетов основаны на решении дифференциального уравнения теплопроводности при различных начальных и граничных усло­виях. В расчете нагрева учитывают переменные условия тепло­обмена и изменение физических свойств металла при его нагреве. Например, коэффициент теплоотдачи в температурном интервале ковки изменяется в 3—4 раза, а коэффициент температуропровод­ности в 2—3 раза. При повышении температуры коэффициент теплопроводности для сталей различного химического состава изменяется неодинаково. Для углеродистой стали при нагревании до 900°С теплопроводность уменьшается, тогда как для легиро­ванной стали теплопроводность постепенно увеличивается с повы­шением температуры. Аустенитная структура стали характери­зуется увеличением теплопроводности с повышением температуры. При комнатной температуре теплопроводность углеродистой стали в 4—6 раз выше теплопроводности коррозионно-стойкой стали. Однако слитки и заготовки из этой малотеплопроводной стали (так же, как и быстрорежущей стали) нагреваются быстрее, чем равновеликие заготовки из углеродистой стали, что объясняется более низким теплосодержанием стали этих и многих других вы­соколегированных марок. Сложность расчета нагрева объяс­няется также тем, что с увеличением поперечного сечения слитка ^или заготовки продолжительность их прогрева увеличивается ^Не прямо пропорционально, а в большей степени. Температура ^газовой среды в отдельные периоды нагрева неодинакова в раз-^Hbix местах печного пространства и на разных его уровнях. Появ­ление окислов на поверхности нагреваемого металла, особенно после обдирки, например, слитков,

Рис. 31 Зависимость продолжительности нагрева горячих слитков до ковочной температуры от их диаметра:

1 -без выдержки; 2 - с выдержкой в конце нагрева (ЦНИИТМАШ)

приводит при температуре около 400°С к увеличению степени черноты поверхности стали, в связи с чем поглощение теплоты и скорость нагрева возрастают. Теплота, выделяющаяся при окислении железа, составляет при­мерно 5—6% от теплосодержания стали и является усложняющим фактором при расчете. При нагреве металла в промышленных печах могут быть и другие причины, усложняющие расчеты. Например, при нагреве слитка из высокопластичной стали для биллетировки перепад температур между его центром и поверх-ностью может быть больше допустимого в обычных условиях, так как поверхностные деформации при биллетировке невелики. Нагрев слитков неравномерен вследствие неодинакового поступле­ния теплоты от стен, свода и пода печи, а при загрузке слитков садками еще более неравномерен. Со стороны пода нагрев наи­менее интенсивен. Указанные обстоятельства не могут быть до­статочно точно учтены в типовых расчетных схемах. В связи с этим в промышленности наряду с аналитическими расчетами все еще используют данные, полученные опытным путем и позволяющие установить общую продолжительность нагрева. Для приближен­ного определения продолжительности нагрева холодных слитков из углеродистой и низколегированной сталей перед ковкой можно воспользоваться проверенной на практике формулой Η. Η. До­брохотова, по которой построен график (рис. 31):

где: Ζ — общая продолжительность нагрева, включая выдержку, ч; D₀ — диаметр слитка, м.

Коэффициент α принимают равным 10 для углеродистой стали (кривая 1) и 20 — для легированной стали (кривая 2). Представленная формула соответствует нагреву заготовок при температуре печи 1300…1350°С. Нагрев до 1200°С подразделяется на два периода: от 20 до 850°С и от 850 до 1200°С. В первом периоде время нагрева равно 50% для углеродистой и 66% для легированной стали от общего времени.

Предполагается, что при нагреве металла температурный напор (разность между температурами печи и металла в конце нагрева) составляет 100—150°С, что согласуется с практикой эксплуатации кузнечных печей.

Получаемые по формуле данные относятся к нагреву одного слитка в печи. Время нагрева слитков в печи при прочих равных условиях зависит от числа слитков, нагреваемых одновременно, и от способа их расположения на поду. При загрузке слитков из углеродистой и низколегированной стали в один ряд (смежно без зазора) время нагрева увеличивается примерно в 1,3 раза, при загрузке пирамидой (в несколько рядов друг на друга) — 1,5 раза. При увеличении температурного напора продолжи­тельность нагрева металла сокращается. При этом увеличивается неравномерность (перепад) температур по сечению (разность между температурами поверхности и середины слитка), что может вы­звать перенапряжение металла. Поскольку в условиях цеха кон­тролировать величину этой разности не представляется возмож­ным, необходимо знать следующие данные. На рис. 32 показана зависимость неравномерности прогрева по сечению слитка (диа­метром D₀) от температурного напора в конце нагрева слитков при температуре печи 1200° С. На рисунке приведены данные для небольших (D₀<0,5 м) и крупных слитков. Для слитка диаме­тром 0,5 м наблюдается прямо пропорциональная зависимость между величинами неравномерности прогрева и температурного напора. Для мелких слитков большим величинам температур­ного напора соответствует меньшая неравномерность прогрева, для крупных слитков — обратная зависимость. По графику на рис. 44 можно определить величину температурного напора при заданной величине неравномерности прогрева. Решается и обрат­ная задача. На практике стремятся к тому, чтобы на ковку посту­пал металл с возможно меньшей величиной неравномерности тем­пературы по сечению. Желательно, чтобы эта величина не превы­шала 50—100°С. В процессе нагрева допускают значительно большую неравномерность температуры. Если температура ме­талла не совпадает с температурой «провала пластичности» (зон синеломкости, красноломкости и т. п.), то литая низколегирован­ная сталь выдерживает тепловые положительные напряжения, отвечающие перепаду температур по сечению 350—400°С. Для углеродистой стали перепад может быть еще большим.

Время выдержки для выравнивания температуры по сечению слитка, выраженное в % от времени нагрева поверхности слитка, увеличивается с увеличением диаметра слитка и температур­ного напора. Для крупных слит­ков в ыдержка в конце нагрева при величине температурного напора 150°С может даже превысить продолжительность

Рис. 32 Зависимость неравномерности прогрева по сечению слитка t _н - t_вн от температурного напора Δt в конце нагрева

(по данным ЦНИИТМАШа)

Рис. 33 Зависимость выдержки t_выд , от продолжительности нагрева поверхности слитка при различных температурных напорах Δt (по В.Н. Соколову)

нагре­ва поверхности. Эти данные исполь­зуют для составления производ­ственных норм нагрева (рис. 33).

Для характеристики нагрева металла необходимо указать тем­пературу, скорость и продолжи­тельность нагрева. Режим нагрева слитков обычно представляют в виде рабочего графика изменения температуры печи и металла в процессе нагрева в зависимости от его продолжительности. На практике применяют одноступенчатый, двухступенчатый и трехступенчатый режимы, а при нагреве высоколегированного металла — и более сложные режимы.

Одноступенчатому режиму соответствует постоянная темпе­ратура печи в течение всего периода нагрева металла. При ука­занном режиме нельзя регулировать разность температур по сече­нию слитка, поэтому его применяют только для небольших слитков.

Двухступенчатый режим включает обычно нагрев и выдержку (нагрев до заданной температуры поверхности и выравнивание температуры по сечению). При регулировании разности темпера­тур по сечению слитка температура печи может быть переменной. Этот режим применяют при нагреве в камерных и методических печах небольших и средних слитков из углеродистой стали. Трехступенчатый режим состоит из периодов медленного нагрева вначале, ускоренного нагрева в последующий период и выдержки, завершающей процесс нагрева. Этот режим приме­няется при нагреве средних и крупных слитков в камерных и ме­тодических печах. Очень крупные слитки из стали сложного хи­мического состава нагревают по многоступенчатому режиму, число ступеней которого соответствует числу периодов нагрева и вы­держек. Наличие отдельных периодов может быть объяснено при рассмотрении реальных графиков нагрева металла (рис. 34). По оси абсцисс откладывают время нагрева в минутах, по оси ординат—температурный критерий 0. В данном случае это отно­сительная температура поверхности или середины заготовки (слитка):

где t_п — температура печи, °С; t — температура поверхности или середины заготовки (слитка), °С; t₀ — начальная температура металла, °С.

Величину θ откладывают на графике в логарифмическом мас­штабе. Кривые (1 — поверхность, 2 — середина заготовки) в виде ломаных линий имеют три точки перелома, дающие возможность разделить процесс нагрева в общем случае на четыре периода.

Период I обусловлен быстрым подъемом температуры поверх­ности заготовки и медленным нагревом ее середины.

Период II характеризуется плавным подъемом температуры поверхности и середины заготовки. В течение периода III по мере достижения критической температуры (720°С) в металле совер­шаются структурные превращения, но не одновременно в различ­ных местах по сечению.

Период IV соответствует регулярному режиму нагрева до мо­мента достижения заданной температуры. Начало этого периода совпадает с прогревом середины заготовки до критической тем­пературы (θ=0,4). Из приведенного выражения для θ можно определить, что в момент прогрева середины заготовки на поверх­ности (при θ=0,3) температура равна 850°С, т. е. она на 130°С выше критической. При составлении рабочего графика режима нагрева слитков необходимо стремиться к тому, чтобы значитель­ные разности температур по сечению не совпали с температурными периодами снижения пластичности стали и чтобы к концу нагрева температурная неравномерность была в допустимых границах. Поскольку наиболее опасным считается период нагрева до 500°С, то в графике должны быть предусмотрены медленный нагрев вна­чале и выдержка при постоянной температуре в конце нагрева, необходимые для уменьшения перепада температур. Простейший режим нагрева слитков стали состоит из трех ступеней: 1 — на­грев с учетом опасных напряжений (до ~500°С), 2 — быстрый нагрев до ковочной температуры на поверхности слитка и 3 — выдержка для выравнивания температуры по сечению.

Р ис. 34. Четыре периода нагрева стальных заготовок

(диаметр 100 мм, t — 1200°С, сталь среднеуглеродистая)

Р ис. 35. Режимы нагрева холодного (а) и горячего (б) слитка мас­сой 45000 кг (УЗТМ)

На прак­тике обычно применяют более сложные многоступенчатые режимы нагрева. На рис. 35 даны заводские графики нагрева слитков мас­сой 54000 кг (D_cp = 1450 мм, L₀ = 4200 мм). При нагреве холод­ного слитка (рис. 35, а) посадка в печь при температуре 500°С сопровождается двухчасовой выдержкой. Следующая выдержка предусмотрена при 800°С в районе критических температур и последняя при 1200°С для выравнивания температуры по сечению слитка. Общая продолжительность пребывания слитка в печи по данному пятиступенчатому режиму нагрева составляет 34 ч. При посадке неостывшего после отливки слитка (рис. 35, б) печь может иметь высокую температуру (в данном случае 1100°С), при которой дается небольшая выдержка (2 ч), после нагрева до 1200°С предусматривается еще одна выдержка с той же целью, что и при нагреве холодного слитка. Таким образом, это трех­ступенчатый нагрев. Эти режимы нагрева исследованы ЦНИИТМАШем. Была установлена воз­можность сокращения продолжительности нагрева, а также повышения на­чальной температуры печи для холодного слитка.

На рис. 36 приведен график контрольного нагрева холодного слитка по режиму, указанному на рис. 35, а. Кривая 6 (рис. 36) соответствует разности температур между поверхностью и сере­диной слитка. По этой кривой можно проследить максимальные перепады температур, наибольший из которых к 29-му часу не­сколько превышает 300°С, но находится в безопасной области температур (значительно выше 500° С). Современная технология требует загрузки в печь крупных слитков в нагретом состоянии. Они подаются обычно из сталелитейного цеха в специальных тер­мосах при температуре поверхности около 700—800°С, опасный период нагрева при этом исключается, а расходы на нагрев со­кращаются.

В последнее время режим нагрева слитков значительно совер­шенствуется исходя из требований качества поковок и технологии их изготовления. Одно из усовершенствований состоит в исполь­зовании неравномерности температурного поля нагретого слитка для получения заданного распределения деформаций при ковке. Зоны слитка, нагретые до относительно более высоких темпера­тур, начинают деформироваться раньше и получают большие де­формации, чем зоны с более низкой температурой. Используя возможности современной техники нагрева металла, удается полу­чить зоны более нагретого металла — с поверхности, в осевой части и даже на некотором расстоянии от оси слитка, сообразуясь с необходимостью проработки тех или иных областей его объема. Например, при ковке слитков с развитыми зонами V-образной и внеосевой ликвации необходимо обеспечить преимущественную проработку этих зон и именно в начальной стадии процесса ковки. В Московском институте стали и сплавов разработан ряд тепловых режимов ковки такого типа. На рис. 37 приведены для сравнения схемы тепловых полей по сечению слитка (нижняя часть рисунка) равномерного (а), с более нагретой осевой зоной (б) или перифе­рией (в) и преимущественно нагретой зоны в области 1/3R сечения слитка (г). Соответствующие распределения температур (слева) и сопротивления деформации (справа) показаны на графиках (верхняя часть рис. 3 7).

Рис. 36. Изменение температуры при нагреве холодного слитка массой 45 000 кг:

1 — вблизи поверхности; 2 — на расстоянии 1/3 радиуса; 3 — в середине сечения слитка; 4 — температура печи;

5 — заданный режим; 6 — разность температур печи и середины сечения слитка

Рис. 37. Схема расположения зон более нагретого металла (заштрихованы) с целью преимущественной проковки в заданном участке сечения восьмигранного слитка (МИСиС)

Для расчета подобных полей необходимы данные об изменении температуры металла во времени при нагревании и охлаждении, а также данные, связывающие температурные градиенты с соот­ветствующими перепадами сопротивления деформации. Для спла­вов различных марок эти данные неодинаковы, в связи с чем используется моделирование необходимых режимов. Равномер­ное температурное поле (рис. 37, а) достигается при достаточно большой выдержке слитка в печи. Из-за чрезмерной потери ме­талла с окалиной обычно не добиваются полной однородности тем­пературного поля.

Поле по схеме на рис. 37, б обеспечивается комбинацией на­гревания и последующего подстуживания. По мере остывания периферийной части слитка толщина подстуженного слоя увели­чивается, а температура средней части уменьшается. Подсту-женная оболочка создает весьма полезные для ковки дополни­тельные сжимающие напряжения внутреннего объема металла, а его более высокая температура — преимущественную деформа­цию осевой области слитка, что способствует закрытию и заварке внутренних несплошностей. Этот режим нагрева особенно ценен для высоколегированной стали и крупных слитков, отливка кото­рых сопровождается образованием внутренних несплошностей. Режим подстуживания может быть осуществлен и при использо­вании теплоты отливаемого слитка. Для обеспечения подобного теплового режима необходимы сведения о скорости остывания и распределении температуры по сечению слитка. Приблизительно, на основании ряда физических констант, этот режим может быть рассчитан и аналитически.

Поле по схеме 37, в получается при недогреве (непрогреве) слитка по сечению. Обычно этого добиваются путем сокращения или полного устранения зыдержки слитка при достижении на по­верхности заданной температуры. Если для данного сплава без­опасны большие перепады температуры по сечению (до 400…500°С), то применим также форсированный нагрев слитков, что позволяет при ковке не только сосредоточить деформации в более нагретом поверхностном слое (например, при биллетировке), но и увеличить производительность работы за счет уменьшения продолжительности нагрева металла. Биллетировка (ликвидация многогранности и конусности слитка) при равномерном темпера­турном поле слитка создает неблагоприятные растягивающие на­пряжения в его осевой зоне.

Сложное температурное поле по рис. 37, г бывает необходимо, например, при проработке зоны внеосевой ликвации, обычно рас­положенной по всей длине слитка на расстоянии V₃ радиуса от его оси. Обеспечивают соответствующий режим, нагревая слиток до (0,35—0,4) Т_пл по всему сечению (для среднеуглеродистой стали 500—550°С), затем следует форсированный нагрев до ко­вочной температуры (0,9Т_ПЛ ~ 1250°С) с тем, чтобы слиток преимущественно прогрелся на ²/₃ в направлении его оси, после чего слиток подстуживают на воздухе. Последующая ковка обеспе­чивает проработку внеосевой ликвации по длине слитка.

Неравномерное температурное поле по длине слитка или за­готовки может быть использовано весьма эффективно. Например, при необходимости закончить ковку при наинизшей допустимой температуре нагревают болванку так, чтобы отковываемый пер­вый ее конец имел более низкую температуру, причем, другой конец болванки может быть нагрет даже выше допустимой темпе­ратуры начала ковки, так как он остынет к окончанию ковки пер­вого конца болванки. Возможны и другие варианты использова­ния неравномерных температурных полей.