книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Г л а в а 6. НАГРЕВ МЕТАЛЛА

Рассмотрение вопросов нагрева садки в пламенной печи выпол­ нено в соответствии с приведенной классификацией системы тел, участвующих в теплообмене. Для ряда случаев приводятся расчет­ ные формулы, позволяющие находить время пребывания металла в рабочем пространстве.

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Длительность пребывания металла в печи (в зонах рабочего пространства или камере) зависит от термофизических характерис­ тик жидкости и нагреваемого изделия, а также от целого ряда фак­ торов, характеризующих интенсивность внешнего и внутреннего теплообмена. В первую очередь следует указать на исключительную важность вопросов, касающихся организации движения газов в ра­ бочем пространстве печи, а также на комплекс факторов конструк­ тивного и режимного порядков. Такое влияние наиболее ощутимо сказывается на продолжительности выдержки металла, которая, как известно, обусловлена необходимостью равномерного и качествен­ ного прогрева металла по сечению. Причем степень неравномерно­ сти прогрева заготовки или изделия характеризуется конечной неравномерностью прогрева:

ö f C /см (°К/м) (для термообработки 6^=3—5 и ковки, штамповки и прокатки — 1—3°С/см), можно записать

Д^i\OH бtx.

При малых значения бt выдержка металла (выдержка при нагреве нужна только при условии В і^ В іКр) более продолжительна. Доби­ ваться длительной выдержки металла экономически невыгодно, так как в конечном итоге время пребывания садки в печи определяет ее производительность. Меньшее значение рекомендуемого предела Ы нужно принимать при нагреве очень массивных заготовок.

142

Немалое влияние на нагрев стали имеет и конечная температура операции ковки, штамповки, прокатки и соответствующего вида термообработки. Температура верхнего предела интервала ковки, штамповки и прокатки выбирается таким образом, чтобы исключить возможность пережога, а следовательно, порчи металла. В связи с этим она принимается на 100— 150° С ниже температуры срлидуса, вблизи которой происходит пережог. В табл. 6.1 приведены теоре­ тические температуры пережога и максимальные температуры на­ грева. Температура, до которой нагревается металл при термической обработке, выбирается в зависимости от вида термообработки таким образом, чтобы поверхность металла была прогрета на 20—30° С выше температуры, соответствующей критической точке. Перепад температур в средине и на поверхности изделия с точки зрения тех­ нологии термообработки должен быть как можно меньшим, однако это требование сильно снижает экономичность работы печи. Как мы уже отмечали, удельная неравномерность прогрева сечения при тер­ мообработке также должна выбираться с учетом экономической стороны вопроса.

Табл. 6.1. Теоретическая температура пережога и максимальная температура нагрева [1]

Таким образом, суть расчета нагрева материала сводится к определению времени его пребывания в каждой из зон, что в ко­ нечном итоге позволяет оценить эффективность работы печи в целом.

Рассчитывая время т пребывания металла в печи, вначале нужно выполнить классификацию нагреваемых заготовок или изде­ лий помня, что все тела по характеру нагрева разделяются на тон­ кие и массивные. В массивных телах (В і^0,5) в отличие от тонких (В і<0,5) наблюдается значительная неравномерность прогрева

143

металла по сечению. Прогрев слоев, находящихся ближе к средине сечения, происходит медленнее, нежели наружных, в результате че­ го температура в центре будет намного ниже, чем на поверхности. Как уже говорили, существуют предельно допустимые нормы нерав­ номерности прогрева металла по сечению.

Немаловажно знать, что в тонких телах температура металла во всех точках контрольного сечения при нагреве практически оди­ накова и действительные значения Мкоа никогда не достигают, а тем более не превышают допустимых. Последнее приводит к разграни­

п—

где ^ т, — время основного нагрева, по истечении которого на по- І=1 верхности металла будет достигнута температура опе­ рации, заданная технологией (сюда входит время на­ грева в первой зоне, а также в последующих зонах фор­

сированного нагрева):

п—і 2 т і = т і + Т2 + . . . + Т п - і ;

1 = 1

n — общее число зон;

п—і — число зон за исключением зоны выдержки; Твыд— время выдержки. По истечении этого времени неравно­

мерность прогрева металла по сечению должна принять допустимую величину, ч (сек).;

Ттехн — время, необходимое для химического взаимодействия среды с поверхностью металла, происходящего при хи­ мико-термической обработке изделия, ч (сек).

Для проходных термических и нагревательных методических печей при отсутствии насыщения поверхности выражение (6.1) мо­ жет быть переписано

где ті — время основного нагрева, по истечении которого темпера­ тура на поверхности станет равной температуре операции; Твыд — время выдержки металла в камере. Выдержка произво­ дится в той же камере, где происходит основной нагрев.

Для случаев, когда зона выдержки отсутствует (В і< В ікр), выражение (6.1) можно записать:

144

для термических печей

г=і

для нагревательных методических

О способах определения величин 2 ті и т Вы д будет сказано ниже.

6.2. НАГРЕВ МАССИВНЫХ ЗАГОТОВОК (ИЗДЕЛИИ) В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ

Рассмотрим случай нагревания тела классической формы. Счи­ таем, что нагрев металла соответствует граничным условиям третье­ го рода (рис. 5.6, в).

Действительно, в каждой зоне проходной термической и нагре­ вательной методической печей такие условия могут быть созданы. В проходной термической печи температура в ее зонах выдержи­ вается на определенном уровне в течение всего цикла нагревания изделия, в силу чего нагрев происходит при постоянной температуре продуктов сгорания топлива. Тепловой поток в таких печах по мере роста температуры поверхности металла убывает. Нагревание ме­ талла в первой зоне методической печи, строго говоря, не отвечает граничным условиям третьего рода. Однако если в качестве расчет-

„ ^г.ух_Ь*г1 нои принять среднюю температуру печных газов------ -------, то рас­

чет первой (методической) и второй (сварочной) зон можно выпол­ нять по одинаковой методике. Что касается томильной зоны, то на­ гревание в ней обычно происходит при постоянной температуре поверхности металла, что отвечает граничным условиям второго рода. Если в зоне выдержки поддерживать постоянную температуру газов, то неравномерность прогрева может быть ликвидирована за счет одновременного изменения температуры в средине заготовки и весьма незначительного ее роста на поверхности. При этом пере­ грев поверхности садки по отношению к температуре операции весь­ ма незначителен вследствие установления в печи малого перепада температуры газов над температурой операции, и задача нагрева в этой зоне сводится к монотонному приближению температуры материала к температуре рабочего пространства. В этом случае рас­ чет нагрева металла в зоне выдержки также выполняется при гра­ ничных условиях третьего рода. В дальнейшем будут рассмотрены случаи нагрева при граничных условиях третьего рода.

Рассмотрим нагревание металла в проходной термической или методической нагревательной печи. Нагрев в первой зоне рассчиты­ вается с учетом температур газов и металла, заданных температур­ ным графиком этой зоны, и выполняется следующим образом.

Для первой зоны и средней температуры садки выбираем теплофнзическне характеристики металла: а, ср, X и у. Рассчитав для первой зоны критерий Fob в соответствии с выражением (5.65) за­ писываем

=F(Bi; Fo) составлены раздельно для пластины, цилиндра и шара,

атакже средины и поверхности соответствующей классической формы.

146

Фт. \ Ц

и, используя графики ft - ) = Z*1(Bi; Fo), по известным Віх и Fox

tT2 — температура продуктов сгорания во второй зоне печи;

/„г — температура поверхности заготовки или изделия на выходе из второй зоны.

Численную величину Fo2 находим в соответствии с найденными

сительно тВЬІД, имея в виду, что

ЯТ^выд

Foвыд—

X 2

Складывая ті, Т2 и тВыд, находим общее время нагрева металла в нагревательной методической или проходной термической печи.

Расчет нагрева металла в камерной печи производится так же, но лишь с той разницей, что время ті и т ВЫд относятся не к опре­

деленной зоне, а к камере, где происходит основной нагрев и вы­ держка. Учитывая сказанное, температура печных газов tr при под­ становке в расчетные формулы принимается одинаковой и равной температуре в камере печи. Кстати сказать, по истечении времени основного нагрева п температура в камере печи может несколько снизиться по отношению к ее первоначальному значению и выдерж­ ка металла происходит при более низкой температуре, чем это имеет место при нагреве.

При изменении краевых условий при попадании металла на мо­ нолитный под зоны выдержки fMn=con st расчет нагрева в томиль­ ной зоне выполняется по формуле (5.114).

До сих пор рассматривался нагрев тел классической формы

(-^ -^ 0 ,1 ). Однако в инженерной практике также часто встречают-

А

ся случаи нагревания заготовок или изделий, размеры которых не

X

удовлетворяют условию —^ ^ 0 ,1 . Тогда внутренний теплообмен

А

сильно отличается от рассмотренного ранее (параграф 4.4) и пред­ ложенная методика расчета не может быть сохранена. Нагрев изде­ лий, имеющих произвольную форму, рассчитывается по формулам (5.72) — (5.78).

Заготовка сложной конфигурации в соответствии с методом сечений представляется как состоящая из отдельных тел, имеющих классическую форму. Как и в предыдущем случае, для первой зоны печи находим критерий Ві для всех элементарных тел, пересечение которых дает прямоугольный параллелепипед:

148

она может быть расчленена на бесконечные цилиндр и пластину, для которых при симметричном обогреве можно записать

где d и h — диаметр и высота цилиндрического тела произвольной конфигурации.

Из найденных величин критерия ВЦ выбираем максимальное (Віішах), в соответствии с которым делается выбор Foimax. Числен­ ное значение критерия Foimax находится с помощью номограмм со­ ответствующих конфигураций, дающих максимальную величину критерия ВЦ. Выбор FoimaK производится по ВЦтах и безразмерной температуре

Иными словами, нужно рассчитать Fo^, ц, FoiV, 9; Fof’* 3; ... ; FoiVIi6,

где индексы (1), (2) и (3) — относятся к первой, второй и третьей элементарным (классическим) формам; индексы 1, 2, 3, стоящие при

Фт.

критериях Bi, Fo и соответствуют порядковому номеру зоны ■ö’o

печи; индексы при времени %: первый индекс (1, 2, 3) отвечает номеру зоны, а второй индекс, стоящий после запятой, (1, 2, 3, ... , 6) — порядковому номеру расчетного промежутка времени.

149

Зная Ві®, с помощью номограмм выбираем значения

По формулам (5.71) и (5.72) для всех расчетных промежутков времени т, j-, tj 2; %1 3; . . . ; т, 6 получим

Для поверхности заготовки сложной конфигурации, находя­ щейся в первой зоне, записываем

150

(6.15)

^rl ^MO

По аналогии для средины заготовки имеем

Рис. 6.1. Графики зависимости:

Отложив на оси координат значение температуры на поверх­ ности заготовки в конце первой зоны (эта температура задана тем­ пературным графиком), определяем время нагрева металла тх в пер­

151