§ 2. Основы рациональной технологии нагрева стали

Процессы, протекающие внутри нагреваемого металла

Важнейшими показателями процесса нагрева металла яв­ляются температура и скорость нагрева. Температурой на­грева называют конечную температуру, при которой ме­талл выдают из печи и которая определяется целями даль­нейшей обработки металла. Скорость нагрева — это изме­нение температуры металла во времени.

При термообработке температуру нагрева выбирают в соответствии с видом термообработки и критическими температурами, характерными для стали данной марки.

Обработка металла давлением требует такой темпера­туры нагрева, при которой металл обладает необходимыми пластическими свойствами. Температуру нагрева металла следует выбирать с учетом того, какая минимальная тем­пература допустима в конце обработки. На скорость нагре­ва накладывают ограничения те процессы, которые проте­кают внутри металла в процессе его нагрева. При терми­ческой обработке эти ограничения связаны со структурными изменениями металла; при нагреве перед обработкой давлением в металле возможны большая неравномерность нагрева по толщине металла и как следствие возникнове­ние недопустимых внутренних напряжений. Чем выше ско­рость нагрева металла, тем больше перепад температур по толщине металла и тем значительнее возникающие при на­греве температурные напряжения.

Перепад температур связан со скоростью нагрева сле­дующим выражением:

где С_н — скорость нагрева, К/с; S — толщина металла, м.

Температурные напряжения в металле опасны до воз­никновения в нем пластических свойств. Для стали напря­жения опасны в интервале температур 273—773 К. При температуре выше 773 К напряжения исчезают в результа­те возникновения пластической деформации. При нагреве малоуглеродистой стали, обладающей высокой пластично­стью, возникающие напряжения не опасны даже при тем­пературах ниже 773 К. Если толщина нагреваемого матери­ала незначительна (например, у листа), то значительный перепад температур, а следовательно, и напряжения воз­никнуть не могут.

Таким образом, при нагреве углеродистых и легирован­ных сталей в интервале температур от 273 до 773 К возникающие напряжения не должны превышать максимально допустимых. Иными словами, скорость нагрева следует вы­бирать так, чтобы не возникали чрезмерные, недопустимые температурные напряжения, которые способны вызвать разрушение металла.

За допустимое напряжение следует принимать истинное сопротивление разрыву, на основании которого можно оп­ределить допустимую скорость нагрева.

Наибольшие по абсолютной величине напряжения сжа­тия, наблюдающиеся на поверхности нагреваемого металла в форме пластины, могут быть определены по формуле, Па

где  — коэффициент линейного расширения, 1/К; Е — мо­дуль упругости, Па; v — пуассоново отношение; для стали принято v = 0,3; С_н — скорость нагрева, К/с; S — толщина пластины, м; а — коэффициент температуропроводности, м²/ч; T — перепад между температурой поверхности и центра в нагреваемом материале, К.

Если в формуле (67)  принять за допускаемое напря­жение _д, то для определения допустимой скорости нагре­ва стали получаем выражение

(68)

Из формулы (68) вытекает, что допустимая разность температур

Для того чтобы уменьшить перепад температур по тол­щине металла и прогреть его более равномерно, осущест­вляют выдержку (томление), при которой температура по­верхности металла не повышается, а тепло, поступающее на его поверхность, проникает внутрь и способствует повы­шению температуры его центра.

Основные положения рациональной технологии нагрева стали

На практике часто пользуются значениями температу­ры и времени (продолжительности) нагрева, а не скорос­ти нагрева, поскольку при помощи этих параметров удоб­нее наблюдать и контролировать режим нагрева металла. Выбрать (разработать) рациональную технологию нагре­ва стали — это значит обеспечить нагрев металла в оптимальных условиях с точки зрения интенсивности и качест­ва нагрева.

Условия, в которых происходит нагрев металла, можно разделить на две группы:

1. Условия, определяющие внешний теплообмен, т. е. теплоотдачу от печных газов и обмуровки к поверхности металла. К ним относят: температуру печи, металла в на­чале и конце периода нагрева, излучательную способность печных газов и обмуровки, размеры рабочего пространства печи.

2. Условия, определяющие внутренний (в металле) теп­лообмен, т. е. характеризующие передачу тепла теплопроводностью от поверхности металла внутрь него. К ним от­носят: теплопроводность и теплоемкость металла, его толщину и химический состав.

Количественное влияние перечисленных факторов на время нагрева рассматривается в гл. II. Здесь рассмотрим два дополнительных фактора внешнего теплообмена, замет­но влияющих на нагрев металла: расположение заготовок в печи и изменение степени черноты металла в процессе его нагрева.

От расположения заготовок на поду печи в процессе их нагрева зависит, какая часть поверхности каждой заготов­ки способна воспринимать тепло. Возможны такие случаи, когда заготовки в той или иной мере экранируют одна дру­гую и тем самым уменьшают общую тепловоспринимающую поверхность металла, что приводит к увеличению вре­мени нагрева металла.

В прокатных печах с толкателями (методические печи) заготовки лежат, тесно соприкасаясь одна с другой, и мо­гут обогреваться с одной или двух сторон, что приводит к увеличению времени нагрева.

В кузнечных печах камерного типа заготовки должны быть расположены на некотором расстоянии одна от дру­гой, поскольку это благоприятно влияет на их нагрев.

Время нагрева заготовок при отношении их длины к тол­щине более трех не зависит от длины заготовок. При дли­не заготовки меньше трех диаметров (размеров ширины) следует учитывать нагрев с торцов заготовки. Если принять за единицу время нагрева заготовки, у которой длина рав­на трехкратной толщине, то при отношении длины заготов­ки к толщине, равном 2, коэффициент сокращения време­ни нагрева составит 0,8, а при отношении, равном 1, он бу­дет равен 0,71.

Степень черноты поверхности металла в расчетах времени нагрева обычно принимают постоянной. В действи­тельности степень черноты в процессе нагрева металла в пламенных печах претерпевает изменения, связанные с об­разованием окалины.

Проведенные исследования показали, что при нагреве стали в интервале температур 573—723 К происходит быст­рое увеличение степени черноты на 80—90% независимо от качества обработки поверхности перед нагревом. Это изменение степени черноты заметно влияет на время нагрева металла, вызывая ускорение нагрева образцов с черной окисленной поверхностью.

Таким образом, комбинируя условия внешнего и внут­реннего теплообмена, можно разработать оптимальные ус­ловия нагрева, т. е. можно выбрать рациональную техно­логию нагрева металла.

В практических условиях встречается одно-, двусторон­ний, а иногда и многосторонний (в нагревательных колод­цах) нагрев металла.

При дву- или многостороннем нагреве процесс ускоряет­ся и его можно вести с меньшим перепадом температур по сечению металла, в результате чего обеспечивается боль­шая равномерность нагрева.

Равномерность — весьма важный показатель нагрева металла. Равномерно нагретый металл имеет одинаковые пластические свойства и равномерно деформируется при обработке давлением.

В некоторых случаях применяют режимы нагрева в не­сколько ступеней.

Одноступенчатой нагрев применяют тогда, когда в пе­чи поддерживают одинаковую температуру по всему ее объему и металл помещается сразу в среду с весьма высо­кой температурой. Такой метод нагрева применим для тон­кого металла (листа, сутунок и т. п.), в котором не могут возникнуть значительный перепад температур и высокие температурные напряжения.

Часто такой режим применяют для нагрева металла при горячей посадке, т. е. такого металла, который при посад­ке в печь имеет достаточно высокую температуру.

При таком режиме нагрева в случае термической обработки металла иногда делают выдержку для полного за­вершения внутренних превращений в этом металле.

Двухступенчатый нагрев обычно складывается из пе­риодов предварительного и интенсивного нагревов. Этот режим применяют для изделий из углеродистой и легиро­ванной стали значительной толщины.

Зона предварительного нагрева печи характеризуется относительно низкой температурой, что позволяет осущест­влять нагрев в интервале 273—773 К с допустимой скорос­тью, без возникновения чрезмерных температурных напря­жений.

В зоне интенсивного нагрева металл догревается до ко­нечной температуры обязательно при достаточной равно­мерности нагрева (не более 200 К на 1 м толщины). Если при двухступенчатом режиме достаточная равномерность нагрева не обеспечивается, то необходимо добавить третью ступень нагрева.

В трехступенчатый режим нагрева, кроме рассмотрен­ных выше двух степеней, входит еще и третья ступень — пе­риод выдержки при нагреве крупных заготовок. Назначе­ние этого периода заключается в том, чтобы, не увеличивая температуры поверхности металла, прогреть его по толщи­не, т. е. уменьшить температурный перепад, возникший в зоне интенсивного нагрева.

Невыполнение необходимых технологических требова­ний нагрева может привести к неблагоприятным последст­виям. Это в первую очередь относится к правильному вы­бору температуры нагрева. Чрезмерное повышение темпе­ратуры нагрева металла ведет к излишнему росту зерна, увеличивает угар и может вызвать также перегрев или пе­режог металла.

Перегрев металла наступает при таком значительном укрупнении зерен, когда связь между ними ослабевает, механическая прочность металла падает и становится воз­можным образование в нем трещин. Перегретый металл можно исправить нормальным отжигом до температуры, несколько превышающей температуру Ас₃. Пережог испра­вить нельзя, и такой металл отправляют в переплавку. При пережоге кислород проникает внутрь металла и как след­ствие этого происходит окисление и оплавление его зерен. В результате пережога настолько падает прочность метал­ла, что он совершенно не выдерживает механической об­работки. Практикой установлено, что температура нагре­ва при обработке давлением должна быть на 100—150 К ниже температуры, отвечающей кривой солидуса диаграм­мы Fе—С.