Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Студенческий документ № 040885 из МГВМИ

Лекция 1.

Лекции - 36 ч.

Лаб. раб. - 18 ч.

Зачет, экзамен.

Доц. Воителев Валерий Владимирович

Литература:

1. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М., "Металлургиздат", 1962 г.

2. Бергиуз А.И., Зоблин Б.Ф., Китаев Б.И. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. М., "Металлургиздат", 1970г.

3. Кривандин В.А. и др. Металлургическая теплотехника. М., "Металлургия", 1986 г.

4. В.А. Арутюнов "Металлургическая теплотехника" ч. I и II, М., "Металлургия"

Задачи и условия нагрева стали.

Нагрев стали производится либо для уменьшения сопротивления металла пластической деформации (т.е. перед ковкой или прокаткой), либо для изменения кристаллической структуры металла, происходящих под воздействием высоких температур (термообработка).

В каждом из этих случаев условия протекания процесса нагрева оказывают существенное влияние на качество конечного продукта. Следовательно, выбор правильной технологии нагрева и расчет этого процесса представляют важную проблему.

Задачи нагрева стали (металла) предопределяют условия протекания этого процесса, которые характеризуются:

- температурой (t, 0С);

- равномерностью нагрева;

- продолжительностью нагрева.

Рис. 1

Рис.2

Рис. 3

? нач = ? прод

Температура нагрева определяется обычно как конечная температура поверхности металла, при которой он в соответствии с требованием технологии может быть выдан из печи.

Значение температуры нагрева зависит от химического состава (марки) стали и от задачи нагрева: штамповка или прокатка.

Рис. 4

При нагреве стали перед обработкой давлением (рис. 4а) температура выдачи стали из печи должна быть достаточно высокой, поскольку это способствует уменьшению сопротивления пластической деформации и приводит к сокращению расхода электроэнергии на обработку, повышению производительности прокатного и кузнечного оборудования, а также увеличению срока его службы.

Однако, температура нагрева изделий не может быть чрезмерно высокой, т.к. она лимитируется ростом зерна, явлениями перегрева и пережога, а также более интенсивным окислением металла. На рис. 5 показана зависимость образования окалины от температуры и время нагрева.

Рис. 5

В таблице 1 приведены максимально допустимые температуры нагрева и пережога некоторых марок сталей.

Таблица 1

Сталь (марка) Температура, 0С нагрева пережога

Углеродистая 1,1% С 1080 1180 0,9%С 1120 1220 0,7%С 1180 1280 0,5%С 1250 1350 0,4%С 1320 1470 0,1%С 1350 1490 Кремнемарганцевая пружинная сталь 1250 1350 Быстрорежущая сталь 1280 1380 Аустенитная хромоникелевая сталь 1300 1420 Трансформаторная сталь 1420 -

Помните, пережог стали не может быть исправлен никакой последующей термической обработкой.

Лекция 2.

Технология нагрева стали. Температура нагрева. Равномерность нагрева.

Металл нагревают, чтобы придать ему пластические свойства, необходимые для обработки давлением (ковка, прокатка), или чтобы провести необходимые изменения в его кристаллической структуре (термообработка). От условий нагрева зависит качество, количество и себестоимость готовой продукции, поэтому нагрев является одним из важных элементов процесса производства стали.

Температура нагрева.

Под температурой нагрева металла обычно понимают конечную температуру его поверхности (t пк), так как ее проще определить с помощью оптических пирометров или других методик (например, замерить температуру термопарой).

Рис. 1

Перегрев металла.

Пластическую обработку стали осуществляют при заданной температуре для конкретной марки стали (задает технолог). При температуре выше заданной неизбежен рост зерен аустенита. При последующем медленном охлаждении металла крупнозернистая структура сохраняется, что приводит к ухудшению свойств стали.

В процессе прокатки или ковки происходит измельчение зерен, но если процесс обработки заканчивается при температуре значительно выше заданной, то металл получается крупнозернистым. Такой металл называют перегретым. Для исправления структуры перегретых поковок или проката необходим последующий отжиг или нормализация.

Росту зерна способствуют такие элементы как С, Mn, B, P.

Пережог металла.

С момента интенсивного окисления металла на границах зерен можно наблюдать такое явление как "пережог" металла. В процессе нагрева металла температура пережога всегда больше температуры нагрева.

Равномерность нагрева.

Показателем равномерности нагрева является разность температуры (? t кон. = t пов - t ц ) при выдаче. Слишком большая разность ? t кон. может привести к неравномерной деформации при обработке давлением.

При термообработке нагрев должен быть особенно равномерным. Следует помнить, что необходимые изменения в структуре металла часто протекают в узком температурном интервале. Поэтому ? t кон. не должна выходить за пределы этого интервала.

Выравнивание температуры по сечению металла требует длительной выдержки или медленного нагрева, что снижает производительность печи и повышает угар металла.

На рис. 2 (а и б) показано как изменяется угар металла от температуры нагрева и времени нагрева.

Из рисунка 2 следует, что с увеличением температуры печи (t печи ) угар металла при времени ? увеличивается. Температура внутри металла измеряют лишь в порядке эксперимента. Часто в процессе нагрева, например, слитков, слябов задают разность между температурой поверхности (t пов ) и температурой в центре (t ц).

Режимы нагрева.

Режимом нагрева называют характер изменения температуры металла во времени.

1. Ступенчатый режим нагрева.

При нагреве под термообработку режим обычно задается из технологических соображений. Например, на рис. 3 предоставлен термический режим нагрева стали 45, который носит ступенчатый характер.

Рис. 3

На участке I скорость нагрева v1;

На участке II скорость нагрева v2;

На участке III скорость нагрева (охлаждения) v3;

Выдержка (t = const) - участки IV, V, VI.

?нагр = (?I + ?II + ?III + ?IV + ?V + ?VI )

t 4 - участок IV - температура const

t 5 - участок V - температура const

t 6 - участок VI - температура const

2. Камерный режим нагрева.

Рис. 4

? t1 = t пов 1- t ц 1 > ?1

? t2 = t пов 2- t ц 2 > ?2 = ?нагр

Отсюда следует, что ? t1 >> ? t2 .

Это значит, что с увеличением времени нагрева металла разность между температурой поверхности и температурой в центре сокращается.

3. Методический режим нагрева металла.

Рис. 5

При нагреве под прокатку технологические условия определяют только конечные температуры. Сам процесс нагрева следует осуществлять с максимальной скоростью, так как с уменьшением времени нагрева повышается производительность печи, снижается угар и обезуглероживание металла и, как правило, удельный расход топлива. Однако, иногда скорость нагрева приходится ограничивать в связи с опасностью перегрева поверхности и разрушения металла под действием температурных напряжений.

Лекция 3.

Расчет нагрева металла.

Расчет нагрева металла выполняют с целью определения времени, необходимого для достижения заданной температуры, или для того, чтобы найти температуру металла в данный момент времени.

В некоторых печах металл нагревают в виде стоп, рулонов, штабелей Для этих случаев, за небольшим исключением, методики аналитического расчета не существует ввиду сложности условий теплообмена внутри, садки, режим же нагрева подбирают опытным путем, например, так: закрепляют термопары, снимают показания и строят температурные кривые, как показано на рис. 1 и 2.

t4

Рис. 1 Рис. 2.

Чаще всего такой метод нагрева связан с термообработкой (во внимание принимаются технологические требования). На отдельных стадиях нагрева для выравнивания температуры по объему садку выдерживают опытным путем.

Нагрев под обработку давлением большей частью поддается расчету, так как изделия можно рассматривать как отдельные тела. Такой нагрев осуществляют в печах при высоких температурах, поэтому тепло на поверхность изделий передается главным образом излучением.

Основная задача расчета - найти приведенный коэффициент излучения от газа и кладки на металл (?пр) по формуле Тимофеева, которую и применяют для расчета теплообмена в промышленных печах и топках котлов:

(1) Qг1= EгЕ1 ** ?0F1(Тг4-Т14 )

? Ег ?0F1(Тг4-Т14) ? ?г1F1(Тг4-Т14) - формула Тимофеева (после преобразования).

Для инженерных расчетов формулу (1) применяют в виде выражения:

(2) Qлуч=С г.к.м.*Fм[( )4- ( )4] Вт

В уравнении 2 величину С г.к.м. называют излучением газов и кладки на металл.

Для расчета нагрева металла в печах необходимо знать суммарный коэффициент теплоотдачи к поверхности металла (??)

??= ?изл + ?конв (3)

Коэффициент теплоотдачи (?изл) определяют по формуле (4):

?изл = = Сг.к.м.

(4)

Здесь Тг и Тм - соответственно температура печных газов и температура поверхности металла; Ег и Ем - степень черноты газов и степень черноты металла.

Среднюю по объему печи четвертую степень температуры газа подсчитывают как среднее геометрическое четвертых степеней температур в районе горелки и отводящих каналов:

Тгаза4=vТгор4* Тотв.канал.4 (5)

Полученное по формуле Тимофеева (?пр) называют коэффициент излучения газа и кладки на металл и обозначаются (?г.к.м). Так как некоторое количество тепла металл получает от газов путем конвекции, роль которой в нагревательных печах обычно невелика, примерно до 10%, следовательно (?г.к.м) увеличивается до 10%, иной раз до 15%.

Нагрев тонких и массивных тел.

Время нагрева тел с равномерным температурным полем определяется по формуле:

? = * *[? - ? ] (6)

? - время, необходимое для нагрева тела от tн до t.

? - функция определяется из рис. 3.

Рис. 3

В результате форсированного нагрева температура поверхности металла часто достигает конечного значения в тот момент, когда разность температур по сечению изделия не допустимо высока, например:

Рис. 4

В этом случае для выравнивания температуры дают выдержку (термические процессы), сокращают тепловой поток через поверхность столько, чтобы дальнейший подъем температуры прекратился.

Если посмотреть на графики нагрева (см. лекцию 2), то можно отметить, что методический или ступенчатый режимы нагрева отвечают именно этим требованиям.

Окисление и обезуглероживание.

Окисление.

На пути от слитка (сляба) до готового изделия металл обычно несколько раз нагревается в различных печах.

При высоких температурах (1100 0C и выше) его поверхность окисляется, и чистый металл переходит в окалину.

Уменьшение массы металла в результате окисления, выраженное в килограммах или процентах, называется угаром. Нормальным считается угар стали (металла)- 1-2%. При прокатном производстве, в среднем, угар металла составляет примерно 5-6%. Примерно те же 5-6% теряется и от коррозии.

С увеличением температуры нагрева металла, скорость окисления увеличивается и наиболее интенсивно процесс протекает при температуре более 1000 0C. Сталь образует 3 окисла:

FeO - вюстит (1377 0C)

Fe2O3 - гаместит (1538 0C)

Fe3O4 - магнетит (1560 0C)

Само окисление представляет собой смесь всех трех окислов. На окисление влияет сразу несколько факторов, основные из которых: температура, время нагрева, состав печной атмосферы и химический состав стали.

Чем выше температура стали, тем интенсивнее окисление. С увеличением скорости нагрева стали образование окалины снижается.

Несколько примеров.

Коксовый газ: ; ;

Доменный газ:

В печных газах: O2, CO2, H2O, SO2 - окислительные газы.

CO, H2, СН4 - восстановительные газы.

N2 - нейтральный газ.

Окисление сильно увеличивается, если в продуктах горения содержатся сернистые соединения. С увеличением температуры газовой среды, вредное влияние сернистых соединений увеличивается.

Обезуглероживание.

Одновременно с окислением происходит окисление углерода (С) поверхностного слоя стали - обезуглероживание. Если скорость окисления стали больше скорости обезуглероживания, то обезуглероживания слоя не образуется. При большой скорости обезуглероживания под слоем окалины обнаруживается обезуглероживающий слой.

Обезуглероживание стали приводит к изменению механических свойств металла. Сталь с обезуглероженной поверхностью характеризуется малой сопротивляемостью против статических нагрузок, более низким пределом усталости и наблюдается склонность к короблению. Наиболее подвержены обезуглероживанию инструментальные стали (У7, У8), шарикоподшипниковые и др.

Обезуглероживанию способствуют H2O, CO2, H2, О, O2 .

Реакции обезуглероживания металла, содержащего карбиды железа (Fe3C) в металле могут идти по следующему процессу:

Fe3C + H2O = 3Fe + CO+ H2

Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO

2Fe3C + O2 = 6Fe +2CO

Fe3C + 2H2 = 3Fe + СН4

Наиболее обезуглероживающей средой служит водяной пар, затем H2, O2 и CO2.

С повышением температуры и содержания углерода глубина обезуглероживания увеличивается. Решающее влияние на глубину обезуглероживания прокатного или тянутого металла оказывает степень обжатия. Чем больше обжатие и увеличение удельной поверхности изделия, тем меньше глубина обезуглероживания конечного продукта прокатки.

Si, Ni,V не оказывают существенного влияния на обезуглероживание.

Способствуют обезуглероживанию из легирующих элементов: Al, Co, W.

Задерживают процесс обезуглероживания Cr, Mn.

Показать полностью… https://vk.com/doc-27804135_194114596
152 Кб, 14 июня 2013 в 17:11 - Россия, Москва, МГВМИ, 2013 г., doc
Рекомендуемые документы в приложении