Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Золотухин Н.М. Нагрев и охлаждение металла

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

8.26 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 204 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

где	to„ — начальная		температура			поверхности		металла;
	^к. п — конечная		температура поверхности					металла;
	г\|) — коэффициент,			значения		которого	составляют [49]:
	і,-	0,80		0,85	0,90	0,95	0,98
	(г

		0,62		0,64	0,67	0,71	0,75

При нагреве металла в методических и полуметодических пе чах усредненная разность четвертых степеней абсолютных тем ператур может быть определена по формуле В. И. Тимофеева:

		Л	\ 100 )
		100
V I	Л	100	100 J	\ 100 J
	100

При ориентировочных расчетах теплоты, воспринятой метал лом, формулу (54) упрощают:

Q = а л + к ((т — ' м ) ^ а ф ,

где
спр	(	л	100
спр	\	100		(60)
	\	100

<г — <м

С у м м а р н ый коэффициент а.-,+,; теплоотдачи конвекцией и из лучением при нагреве стальных заготовок в камерных печах оп ределяют по упрощенной формуле:

anJLw	= 0 , 0 9 ^ ^ У - \| - ( 1 0 ^			15).	(61)
		100
При нагреве в	камерных печах цветных			металлов
	° ' 0 3 8 ( Т 5 Г ) ' '		(10 ч-	15).	(62)

При иагреве в газовых методических печах
«л+к = 50		+ 0 , 3 ( / 1 1 с „ „ - 700).			(63)
Кроме того, суммарный		коэффициент а л + і , -		можно определить
в зависимости от средней температуры печи по графику,					пока
занному на рис. 5 [49].
Теплообмен заготовок в		процессах ковки-штамповки.			При

транспортировке нагретых заготовок от печи к ковочно-штампо- вочному оборудованию они о х л а ж д а ю т с я на воздухе за счет излучения и конвекции. Поверхность металла при обычных ме тодах нагрева покрыта окалиной, теплофизические свойства ко торой отличаются от свойств металла . Теплообмен заготовки

происходит через эту окалину, т. е. через промежуточный слой, оказывающий большое влияние на процессы теплопередачи. Теплота на поверхности окалины превращается в • энергию электромагнитных колебаний и уходит в о к р у ж а ю щ у ю среду в виде теплового излучения. Поверхность окалины охлаждается . При этом возникает перепад температуры по поперечному ее-

ал*к. ккалКм2 • v. °с)

hOO

360

320

60.

Z80

</0 WO\

30 160

• Jт~- 1

	J	)
	ч	У
In	1І	/іі
¥

		120	і///	у
20		120	і///	/
20			А V
		80	А V
10		•w
		•w
	1	О	200 400		600	600	1000 1200		tne4u°C
			200 400		600	600	1000 1200		tne4u°C
Рис.	Ь. Зависимость			коэффициента теплопередачи
сіл + к	от	температуры			печи	для	нагрева	различных
			металлов			[49]:
1 — алюминия;			2 — стали	в	защитной		атмосфере;	3 —	латуни;
			4 — меди; 5 — стали

чению слоя окалины, вызывающий тепловой поток от перифе

рийных слоев окалины к ее поверхности.		Б л а г о д а р я	очень ма
чтой	теплопроводности окислов металла	этот перепад может
быть	весьма значительным, особенно на	крупных	заготовках,

на поверхности которых толщина окалины достигает 1 см. и бо


лее. З а т е м	начинает	понижаться температура на границе ме
талл — окалина. Возникает тепловой поток						теплопроводностью
от внутренних слоев		металла		к его	поверхности и д а л е е через
окалину в о к р у ж а ю щ и й			воздух.
Процесс	охлаждения		металла,		покрытого слоем окалины,,
мало изучен, поэтому		расчеты		охлаждения		затруднительны.

П е р ед началом ковки-штамповки верхний слой окалины счи щается или отлетает при первых ударах молота или нажатии


пресса.	Интенсивность		теплообмена нагретых			заготовок		при
этом повышается. Теплообмен заготовки					увеличивается		за	счет
ее соприкосновения с относительно холодным						металлодавящим
инструментом.		Охлаждение		заготовки	при	ковке-штамповке
происходит излучением			п конвекцией		со свободных		поверх
ностей	и теплопроводностью			в инструмент		на контактных
поверхностях.		При этом	из-за наличия		внутреннего		липкого

слоя окалины на поверхности металла не происходит та к назы ваемого идеального теплового контакта тел, т. е. температура поверхности металла в процессе охлаждения не становится рав ной температуре контактной поверхности инструмента, а всегда

выше	ее. Это обстоятельство т а к ж е затрудняет		проведение рас
четов,	связанных с охлаждением	заготовок	при ковке-штам
повке.
	ГЛАВА	I I

КЛ А С С И Ф И К А Ц ИЯ Р Е Ж И М О В НАГРЕВА

ИО Х Л А Ж Д Е Н И Я

7.КРАЕВЫЕ УСЛОВИЯ

Совокупность начальных и граничных условий задачи,, со вместно с которыми решается дифференциальное уравнение теплопроводности, называется краевыми условиями задачи.

Начальные условия соответствуют значению температурного поля тела в начальный момент времени, т. е. в начальный мо мент нагрева или охлаждения . Так, если в начальный момент нагрева (охлаждения) температура в теле распределяется рав номерно, то начальное условие записывается в виде

t (х, у,	z, 0) = tQ	=	const.	(64)
Граничные условия определяют характер теплового взаимо
действия между твердыми	телами	и	окружающей	их газовой

или жидкой средой, т. е. определяют закон теплопередачи на поверхности тел. ,

Г р а н и ч н о е у с л о в и е п е р в о г о р о д а . Известно или з а д а е т с я изменение температуры поверхности тела во временина весь период теплопередачи. Математически это можно пред ставить выражением

п = / ( ) •	(65)
Если температура поверхности за весь период процесса теп
лопередачи не изменяется, то в этом частном случае	граничное
условие первого рода записывается в виде
ta — t0 = const.	(66)

Г р а н и ч н о е		у с л о в и е в т о р о г о		р о д а .	Известно	изме
нение	плотности	теплового	потока иа поверхности тела во вре
мени:
		9„ = /(х)	или	= / ( т ) .	•	(67)
			дп

В частном случае, если тепловой поток по поверхности тела постоянный, то выражение для граничного условия второго рода примет вид

q — _

X —

= const.

(68)

дп

Г р а н и ч н о е

у с л о в и е

т р е т ь е г о

р о д а .

Известны

температура окружающей среды и закон теплового

взаимодей

ствия между средой и поверхностью нагреваемого

(охлаждае

мого)

тела.

случае

теплопередачи

конвекцией

граничные условия

— X -Ё— — al!(tQ

— / п ) — нагрев

тела;

(69)

дп

— Я -Ё-

= ак

(/п — /с ) — охлаждение

тела.

(70)

дп

В случае теплообмена

излучением

Тс у

(

ТП

* 1 — нагрев тела;

(71)

дп

100/

—

100

)

. ( ш Ь ~ ) ' ~

о х л а ж д е , ш е

т е л а - <7 2 >

где Гщз — приведенный

коэффициент

излучения.

В случае совместного теплообмена конвекцией и

излучением

— Я - Ё -

= a C V M

(tc

— ^п )

— нагрев тела;

(73)

дп

— X -Ё— — ac ..N

(/„ — О

— охлаждение тела .

(74)

дп

Суммарный коэффициент теплообмена а С ул зависит от раз ности температур нагреваемого и охлаждаемого тел, от состоя ния поверхности нагреваемого тела и от других факторов . Это затрудняет решение конкретных задач нагрева и охлаждения металла .

Г р а н и ч н о е у с л о в и е ч е т в е р т о г о р о д а . В этом слу чае рассматривается теплообмен системы твердых тел, соприка сающихся друг с другом по контактным поверхностям. При идеальном тепловом контакте температура соприкасающихся поверхностей обоих тел одинакова, т. е.

fni = ' „ S .

(75)

2 Н. .М. Золотухин

При этом равны и тепловые потоки тел:

К а ж д о е граничное условие может комбинироваться с разны ми начальными условиями, образуя различные краевые условия задачи . Например, при граничном условии третьего рода в на чальный момент (т = 0) температура внутри тела может рас пределяться по закону параболы (одно краевое условие), тем пература в теле может быть равномерной по всему объему (вто рое краевое условие) и т. д.

Как отмечают А. И. Пехович и В. М. Жидких, граничное условие первого рода [выражение (65)] можно записать через

тепловой поток в виде граничных условий				третьего рода [вы
ражеиие	(69)	при бесконечно	большом	коэффициенте	тепло-
отдачи	а [64]	Это указывает на то, что граничные условия
первого	рода	являются частным	случаем	граничных	условий

третьего рода. Кроме того, при записи граничного условия пер вого рода в виде граничных условий третьего рода уравнения всех четырех родов граничных условий содержат в левой части выражение теплового потока от поверхности внутрь тела. Одни граничное условие отличается от другого правой частью урав нений, описывающей закон поступления тепла к поверхности тела.

8 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИ ТОНКИЕ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИ ТОЛСТЫЕ (МАССИВНЫЕ) ТЕЛА

При медленном нагреве (охлаждении) тел с большой тепловоспринимающей поверхностью и небольшим поперечным сече нием теплота с помощью теплопроводности быстро проникает через все их сечения. При этом температурные разности по се чению тела невелики. Такие тела называются теплотехнически тонкими в отличие от теплотехнически толстых с большим по перечным сечением или большой интенсивностью теплопереда чи. В поперечных сечениях теплотехнически толстых тел возни кают большие температурные разности.

Понятие теплотехнически тонких и толстых тел является весь ма условным. Если максимальный перепад температуры по се чению тела мал и им можно пренебречь, то тело относится к

теплотехнически		тонкому,	т.	е.	оно нагревается	(охлаждается)
при	температуре,	постоянной		по	сечению. Если	ж е этим перепа
дом	пренебречь	нельзя,	тело	называется теплотехнически тол

стым. Перепад температуры по сечению зависит от размера это го сечения и интенсивности теплопередачи. С увеличением по перечного сечения при одной и той ж е интенсивности теплопе редачи тело переходит из теплотехнически тонкого в теплотех нически толстое. При одном и том ж е поперечном сечении с уве-

личеішем интенсивности теплоотдачи тело может быть сначала теплотехнически тонким, а затем теплотехнически толстым. На пример, стальной пруток диаметром 40 мм при нагреве в пла

менной печи может	быть отнесен к теплотехнически тонкому,
а при индукционном	нагреве — к теплотехнически толстому. При

расчетах небольшой точности (температуры) тело может ока

заться «тонким», а при расчетах большой точности это	ж е тело
при одной и той ж е интенсивности теплообмена может	оказать
ся «толстым».

Д л я придания определенности этим понятиям Г. П. Иванцов представил критерий подобия Ві как отношение внутреннего теплового сопротивления тела к внешнему тепловому сопротив лению среды [33]:

где ее—коэффициент теплообмена,

к к а л / ( м 2 - ч - °

С ) ;

5 — поперечное сечение тела,

м.

В тонких телах внутреннее сопротивление мало, поэтому кри

терий

Ві имеет

малое

численное значение. В толстых телах

внут

реннее сопротивление

тела большое, критерий Ві имеет большее

численное

значение. Согласно

исследованиям

Г. П.

Иванцова,

к тонким

телам относятся тела,

при

нагреве

которых

критерий

В і < 0 , 2 5 .

При

В і > 0 , 5

тело

является

толстым

(массивным

по

Г. П. И в а н ц о в у ) . При

0 , 2 5 < В і < 0 , 5

имеется

промежуточная

об

ласть между тонкими

и толстыми

телами.

Подразделение тел

на толстые

и тонкие с помощью

критерия

Ві, строго говоря, условно. Поэтому М. А. Глинков

отмечает,

что

наиболее

исчерпывающей

характеристикой

массивности

тела

является

отношение времени его нагрева ко времени на

грева

тонкого

тела при одинаковых условиях теплообмена

[15] .

условиях

нагрева под

обработку

давлением и

охлаждения

в процессах ковки-штамповки почти все заготовки являются теп

лотехнически толстыми телами.	К теплотехнически тонким те
л а м можно отнести лишь прутки	диаметром (толщиной) менее
50 мм при их охлаждении на воздухе.
9. РЕЖИМЫ НАГРЕВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК
Холодные, подстуженные и горячие кузнечные слитки. После

разливки в изложницы и раздевания кузнечных слитков по следние с разной температурой поверхности поступают из ста

лелитейных в кузнечно-прессовые цехи. Слитки			в зависимости
от	температуры	поверхности в кузиечно-прессовых цехах		услов
но	подразделяют	на холодные, подстуженные и	горячие.

2* 35

Если слитки после раздевания долго находились в цехе	или.
на складе и охладились равномерно по всему поперечному	сече

нию до температуры окружающего воздуха, то их называют холодными. С теплотехнической точки зрения холодные слитки характеризуются постоянством температуры по сечению. При нагреве таких слитков под обработку давлением за начальное условие принимают условие, описанное выражением (64).

Обычными холодными слитками считают такие, у которых температура поверхности ниже 450° С, т. е. металл на поверх ности таких слитков находится в хрупком состоянии (не пла стичен) и поэтому возможно трещииообразование от термиче ских напряжений.

Температура поверхности подстужепных кузнечных слитков

при поступлении в кузпечно-прсссовыс цехи	составляет 550—
450° С, а температура поверхности горячих	слитков — 550—
600° С и более.

Втеплотехническом отношении подстуженпые и горячие

слитки характеризуются более высокой температурой металла в центре по сравнению с температурой их поверхностей. В ка честве начального условия при нагреве подстужепных и горячих

слитков под обработку давлением обычно используют				уравне
ние	параболического распределения температуры по			сечению
слитка (парабола		второго	п о р я д к а ) .
	Горячие и подстуженпые слитки, поступающие в кузпечно-
прессовые цехи, иногда не сразу нагревают под ковку,				а загру
ж а ю т в копильпую печь,			в которой они находятся до	накопле
н и я	необходимой	партии	или до освобождения места	в нагре

вательной печи. Все сечение слитка должно равномерно про греться до 650—800° С. При этом считается, что слитки прошли так называемый копеж. Например, на Н К М З им. В. И. Ленина мелкие слитки (dC p = 370-^600 мм) выдерживаются в зависимо сти от схемы посадки на подину печи в течение 3—5 ч, крупные


слитки	( d e p = 1800-^2100		мм) — в течение 9—10 ч.
Существуют		следующие схемы			посадки	слитков: одиноч
н а я — укладка		слитков	одного	за	другим вдоль подины		печи;
в несколько продольных рядов; в два яруса						(по высоте);	в не
сколько ярусов пирамидой или клеткой.
Допустимую скорость нагрева металла в ы р а ж а ю т в °С за
единицу	времени и определяют			предельными		температурными

разностями в сечении заготовок при их нагреве. При допусти мой скорости нагрева температурные разности вызывают тер мические напряжения, не опасные для трещннообразования .

Скорость нагрева металла ограничивается лишь в темпера турном интервале, соответствующем малой пластичности метал ла (для сталей это примерно 500—550° С ) . Выше указанной тем пературы сталь становится пластичной, при этом термические напряжения не возникают, так как снимаются пластическим те чением металла.

П р е д е л ь н ые температурные разности		зависят		от	скорости
нагрева и теплопроводности стали	(чем	она	меньше,		тем	боль
ше температурные разности). К а к	правило,		чем	больше		сте

пень легирования стали, тем меньше ее теплопроводность. По

этому	с	точки зрения предельных температурных разностей							все
стали	в	зависимости	от	степени	легирования		подразделяют		па
Н К М З на четыре группы:
I	группа: 0—45;		3511;	40Н;	15ХМ;	2—6;	15Х—35Х;	15М;
II	группа: 60ХГ;		25ХГС; ЗОХГС;			65Г; 35Г2—50Г2;		2 2 Г Н М ;

35ХМ; 45ХФ; 40Х—55Х; 12ХН2А; 12ХНЗА; 15ГН4М: 40ХН;

50ХН;	60ХН; 50, 55, 50Г;
I I I	группа: 35ХНМ; 34XIT3M; 38ХГН; 35ХНВ; 18ХНВА;

ОХНІМ—ОХНЗМ; 5ХНТ; 5ХНВ; 9Х\ 9ХФ; 90ХМФ; 40ХНМА;

40ХІТЗГСМ; 13Г2ХІТФ;

38ХМЮА; 5ХВС;

ШХ15;

55С2—60С2;

ЗОХГВТ; 30Х2МТ;

IV группа: стали и сплавы с особыми физическими и хими

ческими

свойствами.

Предельные

температуры

ковки

Максимально допустимая температура нагрева металла под

ковку зависит от свойств применяемой стали. Весьма

мягкие

низкоуглеродистые

стали

марок

СтО,

08,

10,

нагревают

до

температуры

1280—1300° С,

стали

20,

25,

30,

35 — до

темпе

ратуры

1260—1280° С;

высокоуглероднстые и

высоколегирован

ные

стали — до

более

низкой

температуры.

Например,

стали

55С2, 60С2, Х2В нагревают под ковку до температуры

1150—

1170°С.

Температурный

интервал

ковки — разность

между

макси

мально допустимой температурой нагрева и минимально допу стимой температурой (на поверхности металла) конца ковки.

Максимально допустимые температуры нагрева и минималь но допустимые температуры конца ковки различных сталей ука

зываются в заводских инструкциях по нагреву		слитков,	а	так
ж е приводятся	в специальной технической литературе (см.,			на
пример, работу	[ 4 9 ] ) .
Режимы нагрева слитков и заготовок. Нагрев		металла	явля

ется одной из основных и ответственных операций процесса го рячей обработки металлов давлением. От продолжительности и температуры нагрева зависят производительность ковочно-штам- повочного оборудования, качество металла поковок, выход год

ного металла, расход энергии и себестоимость	продукции.
Изменение температуры металла в процессе его нагрева
называется режимом нагрева. Р е ж и м нагрева	металла	зависит
от его химического состава, массы и типа заготовок		(дефор
мированные, литые), конструкции печи, от температуры		перед
нагревом, расположения в печи и т. д.

Ц в е т н ые металлы и сплавы обладают хорошей теплопровод

ностью. Обычно заготовки из этих металлов и сплавов				имеют
небольшие поперечные сечения. Поэтому		при нагреве	заготовок
д л я обработки давлением	в их сечениях	возникают	пренебре
ж и м о малые температурные	перепады, вследствие чего		их	мож-

Р и с . 6.	О д н о с т у п е н ч а т ы е р е ж и м ы н а г р е в а :
о — цветных металлов	и сплавов и теплотехнически тонких стальных заго
товок; б — холодных	слитков	и	заготовок	теплотехнически толстых (мас
сивных); в — горячих	слитков	и	заготовок;	г — мелких холодных слитков
	сталей группы			I

но считать теплотехнически тонкими телами и не ограничивать скорость нагрева, используя полную мощность печи, по односту пенчатому режиму (рис. 6, а ) .


	Небольшие холодные				стальные слитки сталей			I и	I I групп
и деформированные заготовки относительно больших									попереч
ных		сечений		нагревают	по одноступенчатому двухпериодному
режиму			(рис. 6, б), состоящему из периода нагрева						поверхно
сти	металла			до заданной	температуры	tH	(период Ти) и выдерж
ки	т в	для	выравнивания		температуры	по	сечению	слитков и за-

готовок (для поднятия температуры центра							/ ц до	температуры
поверхности tn).
Горячие слитки			или		деформированные заготовки различных
размеров		нагревают		по	одноступенчатому		двухпериодирму		ре
ж и м у	(см. рис. 6,б) .			Слитки из		копильной	печи	нагревают	по
этому	ж е	режиму	(см. рис. 6, в,			штриховая	линия для f\|(). Не
большие		(массой до		3 т) холодные слитки			сталей	группы I	на-

		Рис. 7. Многоступенчатые			режимы нагрева:
а — двухступенчатыП; б — трехступенчатый;				т п	с — выдержка при температуре			печи	/ „ „ ;
Ті; Х2 — скоростноіі нагрев металла; т п — н а г р е в при						постоянной температуре			печи;
т с т р	выдержка при температуре структурных превращеаий в стали:							т в —
			для\выравнивания		температуры
гревают	при ограниченной начальной температуре печи							(темпе
ратура	при всаде) по одноступенчатому двухпериодному							режи
му (см.	рис. 6, г).		По такому ж е режиму			нагревают	небольшие
(массой	до	7 т)	подстужениые	слитки (см. рис. 6, г,			штриховая
линия для		/„).

Одноступенчатый режим нагрева характеризуется неограни ченной скоростью нагрева, так как из-за малой разности темпе ратуры по сечению заготовок в них не возникает опасных тер

мических напряжений . При нагреве горячих слитков	(заготовок)
в них т а к ж е не возникает термических напряжений,	т а к	как ме
талл находится в пластическом состоянии.
Средние и крупные (массой 8—200 т) подстужениые		слитки

и заготовки конструкционных сталей нагревают по двухступен


чатому	режиму (рис. 7,		а). Чем больше масса слитка, тем ниже
температура		печи при	всаде ( ^ в с ) .	Назначение	выдержки		при
температуре		всада — уменьшить температурную			разность		по
сечению	в опасной зоне		температур	(20—550° С ) ,	когда металл
находится в упругом состоянии. Крупные и средние						холодные
слитки	сталей группы		I , а т а к ж е	холодные слитки		остальных

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 204 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ