книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

него появляются свойства пластичности. До таких тем­ ператур нагревают главным образом стальные слитки или заготовки для проведения операции пластической деформации (прокатка, ковка, штамповка, прессование, волочение). Например, максимальная температура на­ грева стали под прокатку колеблется для различных

при этом облегчаются условия службы прокатных ста­ нов, прессов, молотов. Для обработки давлением холод­

ла, а для изменения его внутренней металлографической структуры или химических и механических свойств тон­ кого поверхностного слоя.

Подбирая рациональную технологию нагрева и по­ следующих выдержки и охлаждения, можно направленно изменить внутреннюю структуру металла и, следова­ тельно, его физические свойства. Такой нагрев исполь­ зуют и для снятия остаточных напряжений после опера­ ций пластической деформации. В этом разделе рассмот­ рим особенности нагрева лишь второй и третьей групп, не касаясь процессов нагрева при выплавке чугуна и ста­ ли, поскольку при выплавке стали этот вопрос тесно свя­ зан с протеканием химических реакций в жидкой ванне.2

2. Основные теплофизические свойства металлов

На процесс нагрева или охлаждения металлов влияют в основ­ ном следующие их свойства.

Теплопроводность. Она зависит от таких факторов, как химиче­ ский состав, температура, структура, условия обработки. Теплопро­ водность к идеально чистого железа равна 94,6 Вт/(м-град). Незна­ чительное количество примесей может понижать теплопроводность железа до 64 Вт/(м-град). Присутствие в стали таких примесей, как

С, Mn, Si, приводит к снижению ее теплопроводности по сравнению с железом. При 0°С и содержании в металле до 1,5% С и до 0,6% Мп и Si теплопроводность углеродистой стали можно опреде­ лить по формуле:

Я = 60 — 8,7 (%С) — 14,4 (%Мп) — 29,0 (%Si). (V, I)

Присутствие в стали легирующих элементов, таких, как Cr, Ni, W, Со, понижает ее теплопроводность.

Теплопроводность стали весьма зависит от температуры, причем повышение ее температуры до 800° С уменьшает теплопроводность, а при дальнейшем росте температуры теплопроводность начинает возрастать. Это объясняется тем, что при достижении указанной тем­ пературы заканчивается интервал структурных превращений. Следу­ ет отметить, что зависимость X от температуры для сталей различ­ ных марок рельефнее выражена в области относительно низких тем­ ператур. При высоких температурах теплопроводность различных сталей выравнивается: например, при 20° С она может изменяться в зависимости от химического состава металла в пределах от 16,3 до 65 Вт/(м-град), или от 14 до 63 ккал/(м-ч-град), а при высоких температурах теплопроводность этих же сталей колеблется в преде­ лах от 23 до 30 Вт/(м-град), или от 21 до 28 ккал/(м-ч-град).

Теплопроводность зависит и от условий обработки стали. На­ пример, отжиг увеличивает теплопроводность металла, а закалка уменьшает, причем чем выше температура закалки, тем ниже тепло­ проводность. Кованая сталь характеризуется более высокой тепло­ проводностью, чем, например, литая и т. д.

Теплоемкость. При комнатной температуре теплоемкость (ср) чистого железа равна 0,50—0,58 кДж/(кг-град). Наибольшая тепло­ емкость 0,88 у алюминия — наименьшая 0,13 — у золота и свинца. Теплоемкость углеродистых сталей зависит от марки стали, структу­ ры, температуры. С увеличением содержания углерода в стали сред­ няя теплоемкость ее монотонно и очень медленно повышается (при постоянной температуре). При температуре выше 710° С эта моно­ тонность нарушается. Начиная примерно с 770° С, теплоемкость с ро­ стом содержания углерода даже понижается.

Повышение температуры металла (при постоянном содержании углерода) вызывает равномерное возрастание теплоемкости в преде­ лах до 500° С. Дальнейший нагрев создает в интервале 700—900° С резко выраженный максимум теплоемкости, который связан с тепло­ вым эффектом внутриструктурных превращений. Следует сказать, что теплоемкость сталей в меньшей степени зависит от химического

где у — удельный вес стали, Н/м3, или кгс/м3.

На изменение температуропроводности решающее влияние ока­ зывает изменение теплопроводности. Для углеродистых сталей тем­ пературопроводность при 20° С изменяется в пределах 0,04—0,06, для легированных она равна 0,04 и ниже. При /=1200° С, вследствие уменьшения теплопроводности углеродистых сталей на 27%, увели­

чения теплоемкости на 40—50%, уменьшения удельного веса при­ мерно на 5%, температуропроводность уменьшается более чем вдвое. Наименьший коэффициент температуропроводности углеродистых сталей наблюдается при 800° С, так как при этой температуре теп­ лоемкость достигает максимума. Например, при 700—900° С темпе­ ратуропроводность углеродистых сталей составляет ~30% темпера­ туропроводности при комнатной температуре.

С повышением температуры значения температуропроводности сталей различного химического состава, так же, как и коэффициент теплопроводности значительно выравниваются.

Рассмотренные свойства в основном определяют с теплотехниче­ ской точки зрения рациональный режим нагрева стали того или ино­ го химического состава.

3. Основные понятия

Остановимся на некоторых основных понятиях, ко­ торые будут часто встречаться в дальнейшем.

Скорость нагрева

Под скоростью нагрева понимают отношение при­ ращения температуры металла за определенный проме­ жуток времени, к величине этого промежутка. Скорость нагрева обычно измеряют в град/ч или град/мин и опре­ деляют по изменению температуры поверхности, кото­ рую проще всего измерить каким-либо способом. По­ скольку скорость нагрева не является постоянной вели­ чиной в процессе всего времени нагрева, то различают мгновенную скорость нагрева (скорость нагрева в дан­ ный момент) и среднюю. Мгновенную скорость нагрева определяют при условии, что промежуток времени, за который изменилась температура, выбирают очень ма­ лым. Среднюю скорость, наоборот, определяют за до­ статочно большой интервал времени, причем внутри это­ го интервала мгновенная скорость может оставаться величиной постоянной, уменьшаться или увеличиваться.

Различают следующие скорости нагрева:

1) допустимая — это такая максимальная скорость нагрева, которую можно допустить для нагрева стали заданной марки в печи определенной конструкции. При увеличении скорости нагрева выше допустимой внутри металла могут появляться термические напряжения и даже произойти разрыв металла;

2) технически возможная—это такая скорость, ко­ торой можно достичь в печи определенной конструкции при нормальных условиях ее эксплуатации. Эта вели­

чина характеризует больше саму печь как теплотехниче­ ский агрегат;

3) действительная — это скорость, с которой нагре­ вается металл в печи. При условии, что отсутствуют какие-либо производственные неполадки в работе самой печи или, например, прокатных станов, действительная скорость будет равна технически возможной. Практи­ чески она бывает ниже технически возможной вследст­ вие производственных неполадок.

Удельная продолжительность нагрева

Удельная продолжительность нагрева — это затраты времени на нагрев до заданной температуры единицы толщины заготовки или единицы диаметра заготовки. Обычно эта величина измеряется в мин/см или с/мм.

Равномерность нагрева

В процессе нагрева металла наблюдается неравно­ мерность его температуры по сечению. Например, по­ верхность слитка или заготовки всегда горячее, чем его середина. Если нагревают длинные заготовки, то нерав­ номерность нагрева может возникнуть не только по се­ чению, но и по длине заготовок, а также по периметру нагреваемого тела. Равномерность нагрева определяет­ ся перепадом температур по сечению, длине или пери­ метру нагреваемого тела.

На практике металл может нагреваться с одной сто­ роны (односторонний нагрев), с двух сторон (двусто­ ронний нагрев), а также с нескольких сторон (многосто­ ронний нагрев). Чем больше отношение поверхности, к которой подводится тепло, к суммарной внешней по­ верхности нагреваемого тела, тем выше равномерность нагрева, тем меньше время нагрева.

Точность нагрева

Точность нагрева характеризуется допустимыми от­ клонениями температуры металла в каждый момент времени от температуры, заданной технологическими условиями. Чем меньше эти отклонения, тем точнее на­ грев, тем выше требуемое качество нагреваемых изде­ лий и наоборот. Стали некоторых марок требуют, чтобы отклонение температуры от заданной в процессе нагре­ ва не превышало нескольких градусов. Такую точность,

конечно, можно обеспечить в высокоавтоматизирован­ ных нагревательных устройствах, какими являются, на­ пример, нагревательные индукционные установки.

Если после нагрева получены заданная температура металла и равномерность нагрева и при этом не возни­ кло перегрева, пережога, усиленного окисления, обез­ углероживания или, наоборот, науглероживания стали, не образовалось трещин или рванин, не было загрязне­ ния поверхности металла частицами золы, топлива, кир­ пича и т. д., то говорят, что металл нагрет качественно.

Качественный нагрев металла обеспечивается пра­ вильным выбором температурного и теплового режима печи. При выборе режима нагрева необходимо, чтобы время нагрева было минимальным, т. е. чтобы нагрев шел с наибольшей скоростью, чтобы качество нагрева было наилучшим, а затраты энергии минимальными.

1Температура нагрева металла

Для качественного нагрева металла большое значе­ ние имеет правильный выбор температуры и скорости нагрева. Правильный выбор температуры тем важнее, чем больше примесей содержится в стали.

Чем выше температура стали, тем пластичнее она становится, тем меньше ее сопротивление деформации. Следовательно, можно увеличить величину обжатия, сократить число пропусков заготовки между валками прокатного стана. При этом облегчаются условия рабо­ ты валков, продлевается срок службы их. Значит при горячей обработке металлов давлением необходимо стремиться к повышению температуры нагрева. Это возможно до так называемого верхнего предела темпе­ ратуры нагрева. Ограничение объясняется тем, что при

Укрупнение зерен может достичь такой степени, что связь между ними ослабнет и могут образоваться мик­ ротрещины. Такое явление называется перегревом ме­ талла.

Повышение температуры нагрева сверх определен­ ного предела может привести и к пережогу металла. Последний возникает при проникновении кислорода внутрь металла, вследствие чего зерна окисляются и

оплавляются. Это резко ухудшает механические свойст­ ва стали, в частности, сильно понижает ее прочность. Если перегрев можно исправить нормальным отжигом, то пережженный металл — ничем неисправимый брак.

Кроме того, при повышенных температурах процес­ сы окисления стали идут интенсивнее, следовательно, увеличивается угар металла. Вот почему нельзя пере­ гревать металл выше верхнего предела температуры на­ грева. Этот предел для стали каждой марки имеет свое значение и уже известен. В табл. 4 приведены макси­ мальная температура нагрева и теоретическая темпера­

тура пережога для некоторых сталей.

Т а б л и ц а 4

Максимальная температура нагрева и теоретическая температура пережога стали

Кроме верхнего предела, существует еще и ниж­ ний предел температуры нагрева. Нижний предел опре­ деляется наименьшей допустимой температурой метал­ ла в конце обработки. В процессе обработки металла давлением, например при прокатке, металл остывает вследствие потерь тепла в окружающую среду, контак­ та его с валками, интенсивно охлаждающимися водой и т. д., температура его понижается, следовательно, те­ ряются и его пластические свойства. Поэтому пониже­ ние температуры металла в конце обработки ниже оп­ ределенной величины, имеющей определенное значение для стали каждой марки, не допускается. В противном случае условия обработки значительно ухудшаются.

Кроме того, от температуры в конце обработки зависит структура металла, следовательно, и его механические свойства. Для каждого вида обработки (прокатка, ков­ ка, прессование и т. д) установлен нижний предел тем­

пературы нагрева.

Из сказанного следует, что для стали каждой марки и обработки каждого вида существует определенный интервал между верхним и нижним пределами темпе­ ратуры нагрева. Причем чем сложнее сталь по своему химическому составу, тем этот интервал уже и наобо­ рот. Поэтому для высоколегированных сталей выбор, правильной (оптимальной) температуры нагрева имеет особо важное значение. Как показывают исследования, главным элементом, определяющим температуру нагре­ ва углеродистых и легированных сталей, является угле­ род, поскольку начало образования жидкой фазы на гра­ ницах зерен определяется в основном содержанием уг­ лерода в стали. С ростом содержания углерода в различных углеродистых и легированных сталях темпе­ ратура нагрева плавно понижается. Кроме температуры нагрева, большое значение имеет правильный выбор пе­ репада температур между поверхностью и серединой за­ готовки или степени прогрева заготовки (отношение ве­ личины этого перепада к толщине заготовки, °С/м). Сте­ пень прогрева характеризует неравномерность нагрева. Если неравномерность нагрева велика, то пластичность металла по сечению заготовки будет неравномерной, что влечет за собой ухудшение качества продукции и допол­ нительные затраты на исправление этого брака. В от­ дельных случаях слишком большая неравномерность нагрева по сечению может привести к выходу из строя оборудования. Стремление получить очень малую раз­ ность температур между поверхностью и серединой за­ готовки приводит к тому, что увеличивается время пре­ бывания заготовки в печи и, как следствие, растет угар металла. Следовательно, необходим оптимальный выбор степени прогрева заготовок. Считается, что в среднем для горячей обработки различных видов степень прогре­ ва колеблется в пределах от 100 до 300 град на 1 м тол­ щины заготовки.

Скорость нагрева металла — один из важнейших факторов, обеспечивающих качественный нагрев метал­ ла. Этот параметр лимитируется условиями внешнего и внутреннего теплообмена, а также температурными напряжениями в самом металле.

С теплотехнической точки зрения нагреваемые тела делятся на тонкие и массивные, причем при определен' ных условиях тонкие тела могут переходить в массив­ ные, а массивные в тонкие. При нагреве протекают два основных тепловых процесса: подвод тепла к поверхно­ сти нагреваемого тела от нагревающей среды (напри­ мер, от горячих продуктов сгорания топлива в топлив­ ных печах или от нагревателей в электрических печах) и отвод тепла от поверхности тела внутрь его. Для теп­ лотехнически массивных тел характерно, что процесс отвода тепла внутрь тела протекает гораздо медленнее, чем процесс подвода тепла к поверхности извне. В ре­ зультате такого нарушения равновесия между подводом тепла к поверхности и отводом его от поверхности внутрь тела поверхность тела нагревается сильнее, чем середина, создается значительная разность температур по сечению. При достаточно интенсивном подводе тепла к телу может наступить перегрев поверхности тела и да­ же ее оплавление.

Для теплотехнически тонких тел процессы передачи тепла от поверхности к внутренним слоям идут значи­ тельно быстрее, большой разности температур по сече­ нию не наблюдается и вероятность оплавления поверх­ ности значительно меньше.

Скорость нагрева для теплотехнически тонких и мас­ сивных тел и способ нагрева этих тел различны. Ско­ рость нагрева тонких тел лимитируется только условия­ ми внешнего теплообмена, поэтому скорость нагрева будет тем больше, чем интенсивнее подвод тепла к по­ верхности тела от греющей среды. При благоприятных условиях внешнего теплообмена для массивных тел ре­ шающим фактором оказывается передача тепла тепло­ проводностью от поверхности к его центру. Чтобы уско­ рить нагрев массивных тел, необходимо как можно бы­ стрее нагреть поверхность до заданной температуры, после чего наступает период выравнивания температуры по сечению. Чем выше температура печи, тем быстрее

греется поверхность тела до заданной температуры, тем меньше суммарное время нагрева, хотя при этом про­ должительность периода выравнивания температуры по сечению удлиняется. Теоретически представляется воз­ можным в еще большей степени сократить время нагре­ ва, считая, что температура поверхности мгновенно до­ стигает значения заданной температуры нагрева. При этом остается только один период выравнивания темпе­ ратуры.

Еще быстрее можно нагреть тело, если мгновенно сообщить поверхности температуру, несколько превыша­ ющую заданную, затем выровнять температуру середи­ ны до требуемого значения, удерживая полученный пе­ регрев поверхности, а затем снизить температуру по­ верхности до заданной.

Однако мгновенно поднять температуру поверхности до заданной в печах не удается, поэтому действительные скорости нагрева даже в самых лучших печах отстают от теоретически возможных.

Скорость нагрева лимитируется и температурными напряжениями, которые возникают вследствие возника­ ющих перепадов температуры по сечению. Наружные слои, как более горячие расширяются значительнее, чем внутренние. Взаимное воздействие этих слоев приво­ дит к тому, что внешние слои испытывают напряжение сжатия, а внутренние — напряжение растяжения. Если технология нагрева выбрана неправильно, то напряже­ ния достигают таких величин, при которых металл их не выдерживает и внутри него образуются трещины и

рванины.

С появлением свойств пластичности термические на­ пряжения становятся уже неопасными, а свойством пла­ стичности сталь обладает, если она нагрета до 500° С и выше.

Следовательно, скорость нагрева ограничивается термическими напряжениями в интервале температур 0—500° С. Для мягкой стали верхний предел опасного температурного интервала может ограничиваться даже

400° С.

Для углеродистой и легированной сталей скорость нагрева не ограничивается температурными напряжени­ ями в том случае, если нагреваемые заготовки имеют очень малые геометрические размеры, при которых эти напряжения не опасны.

Наличие многочисленных сталей с различными теп­ лофизическими свойствами, разнообразие размеров за­ готовок и их конфигурации, различие целей нагрева приводит к необходимости выбора правильного режима нагрева. Под режимом нагрева понимают такое измене­ ние тепловой мощности или температуры печи во време­ ни или рабочем пространстве печи в процессе нагрева, которое обеспечивает заданный технологией график на­

грева металла.

На практике различают следующие режимы нагрева

применяют в тех случаях, когда необходимо нагреть из­ делия, имеющие небольшие геометрические размеры: ли­ сты, тонкостенные трубы, сутунки и т. д. В печах, где греются такие заготовки температура во всех точках ра­ бочего пространства высокая и одинаковая. Из-за малых геометрических размеров заготовок термические напря­

специальный период выдержки (томления) для вырав­ нивания температуры,по сечению. Исключение представ­ ляет случай, когда заготовки нагревают не с целью их пластической деформации, а для термообработки. При этом по достижении определенных, так называемых кри­ тических температур, внутри металла начинают проте­ кать процессы фазовых превращений. Поэтому, чтобы эти превращения смогли пройти по всей массе металла, необходимо вводить период выдержки.

держки.

Первая разновидность встречается при нагреве слит-