Материал: Нагрев и нагревательные устройства. курс лекций. Гольцев А.М., Бойко А.Ю

Как установлено выше, в продукты горения входят , , , , . Из этих газов , , и являются окислителями.

У остальных заготовок процессы окисления продуктов горения протекают по следующим реакциям.

На поверхности заготовки образуется три слоя окислов , , . Благодаря двусторонней диффузии окислителей и железа в толщи окислов толщина всех трех слоев увеличивается. Наличие в атмосфере рабочего пространства газа , который реагирует с окислами железа, образуя легкоплавкие сульфиды, способствует понижению температуры плавления окалины и ускоряет диффузию окислителей.

В результате уменьшается масса металла, то есть происходит угар металла. Угар стали оценивается в процентах к массе нагреваемого металла – весовой угар и в массе окислительного металла, на единице площади поверхности нагреваемой заготовки – поверхностный угар.

(52)

, ,

где - весовой угар;

- поверхностный угар;

- масса окисленного металла, кг, г.;

- масса нагреваемого металла;

- площадь окисляемой поверхности.

На интенсивность протекания процесса оказывают влияние ряд факторов. Так, с повышением коэффициента расхода воздуха интенсивность образования окалины возрастает.

Нагрев стальной заготовки до температур ниже 600С не вызывает образование окалины. При этих температурах поверхность металла покрыта плотным слоем окислов толщиной в несколько А, который предохраняет поверхность от проникновения к ней окислителей.

При нагреве до более высоких температур постепенно возрастает интенсивность процесса окисления, особенно при температурах выше 1000⁰С.

Влияние времени нагрева на поверхностный угар выражается приближенно уравнением

, (53)

где - время нагрева в минутах;

- абсолютная температура печи.

Угар металла зависит от его химического состава. Так стальные заготовки из малоуглеродистой стали окисляются более интенсивно, чем из средней и высокоуглеродистой стали. Легирующие элементы влияют на интенсивность образования окалины.

Стали, содержащие хром, вольфрам, кремний, алюминий при окислении образуют сплошной, плотный слой окислов, прилегающий к металлу и препятствующий окислению. Уменьшение окисления металла возможно при уменьшении времени нагрева (скоростной нагрев) или при применении защитной атмосферы, получаемой при сжигании топлива с большим недостатком топлива ( ).

Обезуглероживание стали

Одновременно с образованием окалины происходит окисление углерода в поверхностном слое заготовки. Углерод в стали содержится в виде твердого раствора углерода в железе или в виде карбида железа .

Обезуглероживание идет по реакциям:

;

;

;

;

Обезуглероживание вызывает изменение механических свойств поверхностного слоя. Сталь с обезуглероженной поверхностью слабо сопротивляется статическим нагрузкам, имеет низкий предел усталости, склонна к короблению.

Наиболее подвержены обезуглероживанию стали со значительным содержанием углерода.

Обезуглероживание стали зависит от времени выдержки при высоких температурах, коэффициента расхода воздуха, температуры, наличия легирующих элементов и углерода.

Чем длительнее выдержка заготовки при высоких температурах, тем толще обезуглероженный слой. Интенсивность процесса возрастает с температурой, особенно интенсивно обезуглероживание происходит при температурах более 1000С. Легирующие элементы, такие как алюминий, кобальт, вольфрам способствуют обезуглероживанию, хром и марганец ослабляют процесс, а кремний, никель, ванадий не оказывают существенного влияния на процесс.

6.3. Перегрев и пережог стали

Обработку давлением стали производят при температуре выше точки . При этих температурах неизбежен рост зерен аустенитного зерна.

В процессе ковки происходит измельчение зерен, но если процесс обработки давлением заканчивается выше температуры точки , то металл остается крупнозернистым. Такой металл является перегретым. Для измельчения зерна необходим последующий отжиг или нормализация.

При нагреве металла до температур близких к температуре плавления кислород диффундирует в толщу металла и окисляет зерна по их границам. Это явление называется пережогом. Пережженный металл при обработке давлением хрупок, пригоден только для переплавки.

Лекция №7 Температурные напряжения при нагреве

Рис. 8.

В печи поддерживается постоянная температура . При посадке в печь заготовка имеет температуру . Благодаря перепаду температур температура заготовки меняется по кривой . Ввиду ограниченности теплопроводности металла некоторое время температура середины заготовки не изменяется. В конце начального периода распределение температуры по сечению почти подчиняется закону квадратичной параболы

. (54)

Так как между поверхностью заготовки и центром имеется перепад температур, то тепловые деформации поверхности и центра – разные. Размеры заготовки соответствуют некоторой ее температуре. Расширению поверхностных слоев, имеющих более высокую температуру, препятствуют срединные слои, имеющие более низкую температуру. Таким образом, вследствие неравномерной температурной деформации возникают температурные напряжения. Их можно выразить, применяя закон Гука в области низких температур нагрева

(55)

Неравномерность температурных деформаций можно выразить через среднюю температуру поверхности

(56)

где - коэффициент линейного расширения;

- коэффициент Пуассона;

- модуль Юнга.

Тогда

то есть в поверхностных слоях

- сжимающие

в осевом слое

- растягивающие

Опасным для целостности заготовки осевые растягивающие напряжения.

Так как распределение температур по сечению можно принять по уравнению квадратичной параболы, то

- для плоской заготовки

и - для цилиндрической заготовки

Для плоской заготовки решение интеграла дает

и ;

и .

Для цилиндрической заготовки

и ;

.

0. Определение времени нагрева заготовок.

7.2. Разделение заготовок на категории “тонких” и “массивных” при определении времени нагрева.

Условия получения более высокой производительности нагревательного оборудования, уменьшение угара при нагреве диктуют необходимость вести нагрев с наибольшей скоростью, что обеспечит наименьшее время нагрева.

Однако возникновение температурных напряжений в нагреваемой заготовке ограничивает скорость нагрева, особенно в области низких температур (ниже 500^оС для стали), при которых металл недостаточно пластичен.

Заготовки, в которых при нагреве металла не возникает температурных напряжений, опасных для ее целостности, относятся к категории “тонких”. К “массивным” относятся заготовки, при нагреве которых могут возникнуть температурные напряжения, способные разрушить заготовку.

Критерием деления заготовки на “тонкие” и “массивные” является критерий Био:

, (57)

- суммарный коэффициент теплопередачи от печи к заготовке;

- глубина прогрева заготовки;

- коэффициент теплопроводности;

- критерий Био.

При в условиях нагрева имеет величину менее 0.25, заготовки - “тонкие”, если более 0.5 – заготовки “массивные”. Нагрев “тонких” заготовок можно вести с технологически возможной скоростью.

При нагреве “массивных” заготовок в области температур меньше 500^оС в них могут возникнуть температурные напряжения, опасные для их целостности. Поэтому в интервале низких температур скорость нагрева “массивных” заготовок должна быть ограничена.

В области высоких температур (более 500^оС) скорость нагрева может быть высокой, так как при повышении температуры сверх 500^оС значительно уменьшается упругость металла, и могут происходить пластические деформации, уменьшающие температурные напряжения.

7.3. Определение времени нагрева “тонких” заготовок.

Так как при нагреве в заготовке не возникают опасные температурные напряжения, то заготовки нагреваются в печи с постоянной температурой, превышающей температуру нагрева металла на 50-100^оС.

При расчете принимается, что начальная температура во всех точках заготовки одинакова, что допустимо, так как коэффициент теплопроводности высок, а размер сечения заготовки – мал.

Тепловой поток печи при всестороннем нагреве на поверхность заготовки за бесконечно малый промежуток времени

(58)

Увеличение энтальпии заготовки

,

где - тепловоспринимающая поверхность заготовки;

- коэффициент теплоотдачи печи;

- температура печи;