Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Лекция № 13. Нагрев металла. Расчеты нагрева металла.
Нагрев металлов и сплавов производят либо для уменьшения их сопротивления пластической деформации (т. е. перед ковкой или прокаткой), либо для изменения кристаллической структуры происходящего под воздействием высоких температур (термообработка). В каждом из этих случаев условия протекания процесса нагрева оказывают существенное влияние на качество конечного продукта. Решаемые задачи предопределяют основные характеристики процесса нагрева: температуру, равномерность и продолжительность. Температурой нагрева обычно называют конечную температуру поверхности металла, при которой он в соответствии с требованиями технологии может быть выдан из печи. Значение температуры нагрева зависит от химического состава (марки) сплава и от цели нагрева. При нагреве перед обработкой давлением температура выдачи заготовок из печи должна быть достаточно высокой, так как 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 существует верхний предел температуры нагрева, поскольку она лимитируется ростом зерна, явлениями перегрева и пережога, а также ускорением окисления металла. В процессе нагрева большинства сплавов при достижении точки, лежащей на 30-100°С ниже линии солидус на их диаграмме состояния, благодаря ликвации и неметаллическим включениям, на границах зерен появляется жидкая фаза; это приводит к ослаблению механической связи между зернами, интенсивному окислению на их границах; такой металл теряет прочность и разрушается при обработке давлением. Это явление, называемое пережогом, лимитирует максимальную температуру нагрева. Пережженный металл не может быть исправлен никакой последующей термической обработкой и пригоден только для переплавки. Перегрев металла приводит к чрезмерному росту зерна, в результате чего ухудшаются механические свойства. Поэтому прокатка должна завершаться при температуре более низкой, чем температура перегрева. Перегретый металл можно исправить посредством отжига или нормализации. Низший предел температуры нагрева устанавливают исходя из допускаемой температуры в конце обработки давлением с учетом всех потерь тепла от заготовки в окружающую среду и выделения тепла в ней самой за счет пластической деформации. Следовательно, для каждого сплава и для каждого вида обработки давлением существует определенный диапазон температур, выше и ниже которого не следует нагревать заготовку. Эти сведения приведены в соответствующих справочниках. Вопрос о температуре нагрева особенно важен для таких сложных сплавов, как, например, высоколегированные стали, которые в процессе обработки давлением оказывают большое сопротивление пластической деформации, и в то же время, склонны к перегреву и пережогу. Эти факторы обусловливают более узкий диапазон температур нагрева высоколегированных сталей по сравнению с углеродистыми. В табл. 21-1 в качестве иллюстрации приведены данные для некоторых сталей о предельно допустимой температуре их нагрева перед обработкой давлением и о температуре пережога. При термической обработке температура нагрева зависит только от технологических требований, т. е. от вида термообработки и ее режима, обусловленных строением и структурой сплава. Равномерность нагрева определяется величиной разности температур между поверхностью и центром (поскольку это обычно наибольшая разность) заготовки при выдаче ее из печи: ∆ Ткон = Тконпов — Тконцен. Этот показатель также очень важен, поскольку слишком большая разность температур по сечению заготовки при нагреве перед обработкой давлением может вызвать неравномерную деформацию, а при нагреве под термообработку — повлечь за собой незавершенность требуемых превращений по всей толщине металла, т. е. в обоих случаях — брак конечной продукции. Вместе с этим, Процесс выравнивания температура по сечению металла требует длительной выдержки его при высокой температуре поверхности. Однако, полной равномерности нагрева металла перед обработкой давлением не требуется, так как в процессе транспортировки его от печи к стану или прессу и прокатки (ковки) неизбежно происходит выравнивание температуры по сечению слитков и заготовок в связи с отдачей тепла в окружающую среду с их поверхности и теплопроводностью внутрь металла. Исходя из этого, допустимую разность температур по сечению принимают обычно по практическим данным при нагреве перед обработкой давлением в следующих пределах: для высоколегированных сталей ∆ Ткон = 100δ; для всех других марок стали ∆ Ткон = 200δ при δ < 0, 1 м и ∆ Ткон = 300δ при δ > 0, 2 м. Здесь δ — прогреваемая толщина металла. Во всех случаях перепад температур по толщине заготовки в конце ее нагрева перед прокаткой или ковкой не должен превышать 50 °С, а при нагреве под термообработку 20 °С, независимо от толщины изделия. При нагреве крупных слитков допускается их выдача из печи при ∆ Ткон < 100 °С. Другой важной задачей технологии нагрева металла является обеспечение равномерного распределения температуры по всей поверхности заготовок или изделий к моменту их выгрузки из печи. Практическая необходимость этого требования очевидна, так как при значительной неравномерности нагрева по поверхности металла (даже при достижении необходимого перепада температур по толщине) неизбежны такие дефекты, как неравномерность профиля готового проката или различные механические свойства изделия, подвергнутого термообработке. Обеспечение равномерности температуры по поверхности нагреваемого металла достигается посредством правильного выбора печи для нагрева определенного типа заготовок или изделий и соответствующего размещения в ней теплогенерирующих устройств, создающих необходимое поле температур в рабочем пространстве печи, взаимного расположения заготовок и т. п. Продолжительность нагрева до конечной температуры также является важнейшим показателем, так как от него зависят производительность печи и ее размеры. В то же время продолжительность нагрева до заданной температуры определяет скорость нагрева, т. е. изменение температуры в некоторой точке нагреваемого тела в единицу времени. Обычно скорость нагрева изменяется по ходу протекания процесса, и поэтому различают скорость нагрева в некоторый момент времени и среднюю скорость нагрева за рассматриваемый интервал времени. Чем быстрее осуществляется нагрев (т. е. чем больше скорость нагрева), тем, очевидно, выше производительность печи при прочих равных условиях. Однако в ряде случаев скорость нагрева не может быть выбрана сколь угодно большой, даже если условия внешнего теплообмена и позволяют его осуществить. Это связано с определенными ограничениями, накладываемыми условиями протекания процессов, сопровождающих нагрев металла в печах и рассматриваемых ниже. Процессы, протекающие при нагреве металла. При нагреве металла происходит изменение его энтальпии, а поскольку в большинстве случаев подвод тепла производится к поверхности слитков и заготовок, то их наружная температура выше температуры внутренних слоев. В результате термического расширения разных частей твердого тела на разную величину возникают напряжения, получившие название термических. Другая группа явлений связана с химическими процессами на поверхности металла при нагреве. Поверхность металла, находящаяся при высокой температуре, вступает во взаимодействие с окружающей средой (т. е. с продуктами сгорания или с воздухом), в результате чего на ней образуется слой оксидов. В случае, если какие-либо элементы сплава взаимодействуют с окружающей металл средой с образованием газовой фазы, то происходит обеднение поверхности этими элементами. Например, окисление углерода стали при ее нагреве в печах, вызывает поверхностное обезуглероживание. Термические напряжения Как отмечено выше, в сечении слитков и заготовок при их нагреве возникает неравномерное распределение температур и, следовательно, разные части тела стремятся изменить свой размер в разной степени. Так как в твердом теле существуют связи между всеми отдельными его частями, то они не могут независимо деформироваться в соответствии с теми температурами, до которых они нагреты. В результате возникают термические напряжения, обусловленные разностью температур. Наружные, более нагретые слои, стремятся расшириться и находятся, поэтому в сжатом состоянии. Внутренние, более холодные слои, подвержены при этом растягивающим усилиям. Если эти напряжения не превосходят предела упругости нагреваемого металла, то с выравниванием температуры по сечению термические напряжения исчезают. Все металлы и сплавы обладают упругими свойствами до определенной температуры (например, большинство марок стали до 450—500 °С). Выше этой определенной температуры металлы переходят в пластическое состояние и возникшие в них термические напряжения вызывают пластическую деформацию и исчезают. Следовательно, температурные напряжения должны учитываться при нагреве и охлаждении стали только в интервале температур от комнатной до точки перехода данного металла или сплава из упругого состояния в пластическое. Такие напряжения называются исчезающими, или временными. Кроме временных, существуют остаточные температурные напряжения, увеличивающие опасность разрушения при нагреве. Эти напряжения возникают в случае, если слиток или заготовка ранее подвергались нагреву и охлаждению. При охлаждении наружные слои металла (более холодные) раньше достигают температуры перехода из пластического в упругое состояние. По мере дальнейшего охлаждения внутренние слои оказываются под воздействием растягивающих усилий, которые не исчезают вследствие малой пластичности холодного металла. Если этот слиток или заготовка будут снова нагреты, то возникающие в них временные напряжения наложатся с тем же самым знаком на остаточные, что усугубит опасность возникновения трещин и разрывов. Помимо временных и остаточных температурных напряжений при нагреве и охлаждении сплавов возникают также напряжения, вызванные структурными изменениями объема. Но так как эти явления имеют место обычно при температурах, превышающих границу перехода из упругого состояния в пластическое, то структурные напряжения рассеиваются в связи с пластическим состоянием металла. Зависимость между деформациями и напряжениями устанавливает закон Гука σ = (Тср-Т)
где β — коэффициент линейного расширения; Тср — средняя температура тела; Т — температура в данном сечении тела; Е — модуль упругости (для многих марок стали величина Е снижается с (18÷ 22).104 МПа до (14÷ 17).104 МПа с увеличением температуры от комнатной до 500 °С; σ —- напряжение; v — отношение Пуассона (для стали v ≈ 0, 3). Большой практический интерес представляет нахождение максимально допустимой разности температур по сечению тела ∆ Тдоп = Тпов — Тцен. Наиболее опасными в этом случае являются растягивающие напряжения, поэтому их следует учитывать при расчете допустимой разности температур. В качестве прочностной характеристики следует принимать значение временного сопротивления сплава разрыву σ в. Тогда, используя решения задач теплопроводности (см. гл. 16) и накладывая на них выражение (21-1), для случая регулярного режима II рода можно, в частности, получить: для равномерно и симметрично обогреваемой бесконечной пластины ∆ Тдоп = 1, 5 (1 — v) σ в /( ); для равномерно и симметрично обогреваемого бесконечного цилиндра ∆ Тдоп = 2 (1 — v) σ в /( ). Допустимая разность температур, найденная по формулам (21-2) и (21-3), не зависит от размеров тела и его теплофизических характеристик. Размеры тела оказывают косвенное влияние на величину ∆ Тдоп, так как остаточные напряжения в телах большего размера больше. Окисление и обезуглероживание поверхности при нагреве. Окисление слитков и заготовок при нагреве в печах — явление крайне нежелательное, поскольку его следствием являются невозвратимые потери металла. Это приводит к очень большому экономическому ущербу, который становится особенно очевидным, если сопоставить стоимость потерь металла при окислении с другими расходами на передел. Так, например, при нагреве стальных слитков в нагревательных колодцах стоимость металла, теряемого с окалиной, обычно выше стоимости топлива, расходуемого на нагрев этого металла, и стоимости электроэнергии, расходуемой на его прокатку. При нагреве заготовок в печах сортопрокатных цехов потери с окалиной несколько ниже, но все же они достаточно велики и по стоимости соизмеримы с расходами на топливо. Так как на пути от слитка до готового изделия металл обычно подвергается нагреву несколько раз в разных печах, то потери вследствие окисления составляют весьма существенную величину. Помимо этого, более высокая твердость оксидов по сравнению с металлом приводит к повышенному износу инструментов и увеличивает процент брака при ковке и прокатке. Меньшая по отношению к металлу теплопроводность образовавшегося на поверхности слоя оксидов увеличивает продолжительность нагрева в печах, что влечет за собой снижение их производительности при прочих равных условиях, а осыпающиеся оксиды образуют шлаковые наросты на поду печей, затрудняя эксплуатацию и вызывая повышенный расход огнеупорных материалов. Появление окалины также не позволяет точно измерять температуру поверхности металла, задаваемую технологами, что усложняет управление тепловым режимом печи. Упоминавшееся выше взаимодействие с газовой средой в печи какого-либо элемента сплава имеет практическое значение для стали. Снижение содержания углерода в ней вызывает понижение твердости и предела прочности. Для получения заданных механических свойств изделия приходится снимать обезуглероженный слой (достигающий 2 мм), что увеличивает трудоемкость обработки в целом. Особенно недопустимо обезуглероживание тех изделий, которые в последующем подлежат поверхностной термической обработке. Процессы окисления сплава в целом и его отдельных примесей при нагреве в печах следует рассматривать совместно, поскольку они тесно связаны между собой. Например, по опытным данным, при нагреве стали до температуры 1100°С и выше в обычной печной атмосфере окисление протекает быстрее, чем обезуглероживание поверхности, и образующаяся окалина играет роль защитного слоя, предупреждающего обезуглероживание. При более низких температурах окисление многих сталей (даже в ярко выраженной окислительной среде) идет медленнее, чем обезуглероживание. Поэтому сталь, нагреваемая до температуры 700-1000 °С, может иметь обезуглероженную поверхность. Это особенно опасно, так как диапазон температур 700—1000 °С характерен для термообработки. Окисление металла. Окисление сплавов представляет собой процесс взаимодействия окисляющих газов с их основой и легирующими элементами. Этот процесс определяется не только скоростью протекания химических реакций, но и закономерностями образования оксидной пленки, которая по мере роста изолирует поверхность металла от воздействия окислительных газов. Поэтому скорость роста слоя оксидов зависит не только от протекания химического процесса окисления стали, но и от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоев оксидов к наружным) и атомов кислорода (с поверхности к внутренним слоям), т. е. от условий протекания физического процесса двусторонней диффузии. Диффузионный механизм образования оксидов железа, подробно изученный В. И. Архаровым, обусловливает трехслойную структуру слоя окалины, образующейся при нагреве стали в окислительной среде. Внутренний слой (примыкающий к металлу) имеет самое высокое содержание железа и состоит главным образом из FeO (вюстита): Fe В V202 Ц| FeCX Температура плавления вюстита 1317 °С. Средний слой — магнетит Fe304, имеющий температуру плавления 1565 °С, образуется при последующем окислении вюстита: 3FeO Ц 1/202 ift Fes04. Этот слой содержит меньше железа и по сравнению с внутренним слоем обогащен кислородом, хотя и не в такой степени, как наиболее богатый кислородом гематит Fe208 (температура плавления 1538 °С): 2Fe304 -f V202 - Ц 3Fe2Os. Состав каждого из слоев не является постоянным по сечению, а постепенно изменяется за счет примесей более (ближе к поверхности) или менее (ближе к металлу) богатых кислородом оксидов. Окисляющим газом при нагреве в печах является не только свободный кислород, но и кислород связанный, входящий в состав продуктов полного сгорания топлива: СО2 Н20 и S02. Эти газы, так же как и О2, называются окислительными в отличие от восстановительных: СО, Н2 и СН4, которые образуются в результате неполного сгорания топлива. Атмосфера в большей части топливных печей представляет собой смесь N2, С02, Н20 и S02 с небольшим количеством свободного кислорода. Наличие большого количества восстановительных газов в печи свидетельствует о неполном сгорании и недопустимо е точки зрения использования топлива. Поэтому атмосфера обычных топливных печей всегда имеет окислительный характер. Окислительная и восстановительная способность всех перечисленных газов по отношению к металлу зависит от их концентрации в атмосфере печи и от температуры поверхности металла. Наиболее сильным окислителем является О2, за ним следует Н2О и наиболее слабым окисляющим воздействием отличается СО2. Увеличение доли нейтрального газа в печной атмосфере уменьшает скорость окисления, которая в значительной степени зависит от содержания Н2О и SO2 в печной атмосфере. Присутствие в печных газах даже очень небольших количеств SO2 резко увеличивает скорость окисления, так как на поверхности сплава образуются легкоплавкие соединения из оксидов и сульфидов. Что касается H2S, то это соединение может присутствовать в восстановительной атмосфере и его воздействие на металл (наряду с SO2) приводит к увеличению содержания серы в поверхностном слое. Качество металла при этом Сильно ухудшается, причем особенно вредное влияние сера оказывает на легированные Стали, так как они поглощают ее в большей степени, чем простые углеродистые, а никель образует с серой легкоплавкую эвтектику. Толщина образующегося слоя оксидов на поверхности металла зависит не только от атмосферы, в которой нагревается металл, но к От ряда других факторов, к которым в первую очередь относятся температура и продолжительность нагрева. Чем выше Температура поверхности металла, тем выше скорость его окисления. Однако установлено, что скорость роста слоя оксидов возрастает быстрее после достижения некоторой температуры. Так, окисление стали при температурах до 600°С происходит со сравнительно малой скоростью, а при температурах свыше 800-900°С скорость роста слоя оксидов резко возрастает. Если принять скорость окисления при 900 °С за единицу, то при 950°С она составит 1, 25, при 1000°С- 2, а при 1300 - 7. Продолжительность пребывания металла в печи оказывает очень сильное влияние на количество образующихся оксидов. Увеличение продолжительности нагрева до заданной температуры приводит к росту слоя оксидов, хотя скорость окисления падает со временем из-за утолщения образующейся пленки и, следовательно, уменьшения плотности диффузионного потока через нее ионов железа и атомов кислорода. Установлено, что если толщина окисленного слоя составляет δ 1 при времени нагрева t1 то при времени нагрева t2 до той же температуры толщина окисленного слоя будет равна: δ 2= δ 1/( t1/ t2)1/2. Продолжительность нагрева металла до заданной температуры может быть сокращена, в частности, в результате увеличения температуры в рабочей камере печи, что приводит к более интенсивному внешнему теплообмену и, таким образом, способствует уменьшению толщины окисленного слоя. Установлено, что факторы, влияющие на интенсивность диффузии кислорода к поверхности нагреваемого металла из атмосферы печи, не оказывает существенного влияния на рост слоя оксидов. Это обусловлено тем, что диффузионные процессы в самой твердой поверхности протекают медленно и именно они являются определяющими. Поэтому скорость движения газов практически не влияет на окисление поверхности. Однако картина движения продуктов сгорания в целом может оказывать заметное влияние, так как местные перегревы металла, обусловленные неравномерным полем температуры газов в печи (которое может быть вызвано чрезмерно большим углом наклона горелок, их неправильным размещением по высоте и длине печи и т. д.), неизбежно приводят к местному интенсивному окислению металла. Условия перемещения нагреваемых заготовок внутри печей и состав нагреваемого сплава также оказывают заметное влияние на скорость его окисления. Так, при перемещении металла в печи может происходить механическое отслаивание и отделение образовавшегося слоя оксидов, что способствует более быстрому последующему окислению незащищенных участков. Наличие в сплаве некоторых легирующих элементов (например, для стали Сr, Ni, Al, Si и др.) может обеспечить образование тонкой и плотной, хорошо прилегающей пленки оксидов, надежно предупреждающей последующее окисление. Такие стали называются жаростойкими и хорошо сопротивляются окислению при нагреве. Помимо этого, сталь с более высоким содержанием углерода в меньшей степени подвержена окислению, чем малоуглеродистая. Это объясняется тем, что в стали часть железа находится в связанном с углеродом состоянии, в виде карбида железа Fe3C. Углерод же, содержащийся в стали, окисляясь, превращается в оксид углерода, диффундирующий к поверхности и препятствующий окислению железа. Обезуглероживание поверхностного слоя стали. Обезуглероживание стали при нагреве происходит в результате взаимодействия газов с углеродом, который находится или в виде твердого раствора, или в виде карбида железа Fe8C. Реакции обезуглероживания в результате взаимодействия различных газов с карбидом железа могут протекать следующим образом: Fe3C + Н2О = 3Fe + СО + Н2; 2Fe3C + О2 = 6Fe + 2СО; Fe3C + СО2 = 3Fe + 2СО; Fe3C + 2H2 = 3Fe + CH4. Аналогичные реакции протекают при взаимодействии этих газов с углеродом, находящимся в твердом растворе. Скорость обезуглероживания определяется главным образом процессом двухсторонней диффузии, происходящей под действием разности концентраций обеих сред. С одной стороны, обезуглероживающие газы диффундируют к поверхностному слою стали, а с другой - образующиеся газообразные продукты движутся в обратном направлении. Помимо этого, углерод из внутренних слоев металла перемещается в поверхностный обезуглероженный слой. Как константы скорости химических реакций, так и коэффициенты диффузии увеличиваются с повышением температуры. Поэтому глубина обезуглероженного слоя возрастает с увеличением температуры нагрева. А поскольку плотность диффузионного потока пропорциональна разности концентраций диффундирующих компонентов, то глубина обезуглероженного слоя больше в случае нагрева высокоуглеродистой стали, чем в случае нагрева малоуглеродистой. Легирующие элементы, содержащиеся в стали, также играют определенную роль в процессе обезуглероживания. Так, хром и марганец понижают коэффициент диффузии углерода, а кобальт, алюминий и вольфрам увеличивают его, соответственно препятствуя или способствуя обезуглероживанию стали. Кремний, никель и ванадий не оказывают существенного влияния на обезуглероживание. К числу газов, входящих в состав печной атмосферы и вызывающих обезуглероживание, относятся Н20, СО2, О2 и Н2. Наиболее сильным обезуглероживающим воздействием на сталь отличается Н20, а наиболее слабым Н2. При этом обезуглероживающая способность СО2 увеличивается с ростом температуры, а обезуглероживающая способность сухого Н2 уменьшается. Водород в присутствии водяных паров оказывает очень сильное обезуглероживающее воздействие на поверхностный слой стали. Защита стали от окисления и обезуглероживания. Вредное влияние окисления и обезуглероживания металла при нагреве на его качество требует принятия мер, предупреждающих эти явления. Наиболее полная защита поверхности слитков, заготовок и деталей достигается в печах, где исключается воздействие на нее окисляющих и обезуглероживающих газов. К числу таких печей относятся соляные и металлические ванны, а также печи, где нагрев ведется в контролируемой атмосфере. В печах подобного типа изолируется от газов либо нагреваемый металл, обычно закрываемый специальным герметичным муфелем, либо само пламя помещается внутрь так называемых радиантных труб, тепло от которых передается к нагреваемому металлу без его контакта с окисляющими и обезуглероживающими газами. Рабочее пространство таких печей заполняется специальными атмосферами, состав которых выбирается в зависимости от технологии нагрева и марки сплава. Защитные атмосферы приготовляются отдельно в специальных установках. Известен также способ создания слабоокислительной атмосферы непосредственно в рабочем пространстве печей, без муфелирования металла или пламени. Это достигается за счет неполного сжигания топлива (с коэффициентом расхода воздуха 0, 5— 0, 55). В состав продуктов сгорания при этом входят СО и На наряду с продуктами полного сгорания СО2 и Н2О. Если соотношения СО/С02 и H2/H2O не меньше 1, 3, то нагрев металла в такой среде происходит почти без окисления его поверхности. Уменьшение окисления поверхности металла при его нагреве в топливных печах с открытым пламенем (составляющих большую часть парка печей металлургических и машиностроительных заводов) может быть достигнуто также за счет сокращения продолжительности пребывания его при высокой температуре поверхности. Это достигается выбором наиболее рационального режима нагрева металла в печи. Расчеты нагрева металла в печах выполняются для определения темпе-ратурного поля слитка, заготовки или готового изделия, исходя из условий, продиктованных технологической целью нагрева. При этом учитываются ог-раничения, накладываемые процессами, протекающими при нагреве, а также закономерности выбранного режима нагрева. Часто рассматривается задача определения времени нагрева до заданной температуры при условии обеспе-чения требуемой равномерности к концу его пребывания в печи (последнее - в случае массивных тел). При этом обычно задаются законом изменения тем-пературы греющей среды, выбирая режим нагрева в зависимости от степени термической массивности металла. Для выявления степени термической массивности и для последующего расчета нагрева очень важен вопрос о прогреваемой толщине слитка или заготовки.
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-13; Просмотров: 9855; Нарушение авторского права страницы