6.3 金属加热工艺——金属的加热温度、加热速度、加热制度和加热时间在线视频

接下来 我们学习一下第三小节

金属的加热工艺

金属的加热工艺主要包括

金属的加热温度 加热速度

加热制度和加热时间

金属加热温度是指

加热终了时金属出炉时的表面温度

对于压力加工生产而言

钢材加热温度的上限和下限

一般是由铁碳平衡相图来确定

钢种和钢化学成份不同

加热温度有很大的区别

金属加热温度下限一般是

高于AC3限以上30到50摄氏度

低于AC3限时

压力加工时的变形抗力比较大

甚至会造成压力加工设备的损坏

另外 可能使加工后产品出现

较大的残余应力 形成裂纹

加热温度越高

金属的塑性越好

加工时的变形阻力越小

对热加工过程越有利

轧机可以增大压下量

提高轧制速度

使得产品的产量增加

设备的磨损减轻

但是 提高加热温度

受到金属过热过烧

以及氧化铁皮熔化 表面脱碳

等因素的限制

此外 加热温度越高

加热的能耗也就越高

因此 每一种金属的加热温度

都有一个上限

最高加热温度一般低于固相线

100到150摄氏度

近年来 为了节约能源 减少烧损

轧制前金属加热温度有下降的趋势

即采用低温轧制工艺

该工艺除了使热加工工序

能耗降低以外

还可以提高产品的表面质量

细化晶粒 改善产品的性能

在加热时

不仅要注意金属表面的加热温度

也要注意加热终了时金属断面上的

温度的均匀性

即金属的透烧程度

透烧程度不好

会造成金属断面上的塑性不均

轧制时 会导致不均匀变形

产生轧制裂纹

严重时会造成轧机的损坏

代表透烧程度的是出炉时

金属的断面温差

通常情况下

出炉前 金属表面温度

与炉温的差别越大

金属断面温差越大

这也是某些钢材在出炉前

需要降低炉温进行均热的原因

断面温差完全均匀是很难做到的

一般允许的最终断面温差为

△t=（100-300）S

单位是摄氏度

这个式子当中的S指的是

金属加热时的透烧深度

单位是米

金属的加热速度通常是指

加热时金属表面温度升高的速度

单位为摄氏度每小时

在实际生产中

也常用单位厚度金属

加热到所需温度而花费的时间

单位为分每厘米

或者是单位时间加热的厚度

单位是厘米每分钟来代表

加热速度越快

加热时间越短

炉子的单位生产率就越高

金属氧化也就越少

所以快速加热

常常是炉子操作和设计的

重要原则之一

但提高加热速度

除供热能力的限制以外

主要是受到金属本身所允许的

加热速度的限制

主要体现在第一

温度应力也叫热应力的限制

温度应力是指由于断面温度差

而使金属产生的内应力

金属由外部加热

表面与中心形成温度差

由于表面的温度高

热膨胀大

中心温度低 膨胀较小

而金属是一个整体

这时金属表面膨胀量

大于整体膨胀量而会受到压应力

中心部分则相反受到拉应力

加热速度越快 温度差越大

温度应力也就越大

应力过大可能会超过金属强度极限

造成金属的破裂

在实际生产中

加热速度需根据具体的钢种

结合实验与材料力学计算

科学的进行制定

第二 断面温差的限制

金属加热终了时

断面上存在着温度差

末期加热速度越快 断面温差越大

有可能超过工艺要求的

最终断面温差

造成压力加工上的困难

前面也说过

在实际生产中

为减少断面温差

常要求降低炉温进行均热

接下来我们讨论一下

金属的加热制度

根据金属的热物理性质

机械性质以及热加工要求

可以使金属在不同条件下进行加热

实现该条件下加热所采取的方法

就是金属的加热制度

加热制度包括温度制度和供热制度

温度制度是指金属周围的温度

比如 炉气温度或者是炉温

随着金属加热时间的变化

供热制度是指为了保证温度制度

供给的热量随时间的变化

如果金属在炉膛内是移动的

供热制度就是炉子各段所供给的

热量分配

可见 温度制度是基本的

供热制度是实现温度制度的条件

这里我们讨论的加热制度

主要是指温度制度

根据钢的形状 尺寸 性质

及装炉温度等条件

压力加工前的金属加热制度可分为

一段制度 二段制度和三段制度

三种

一段制度是指炉温保持不变的

加热制度

如图所示

将金属装入炉温基本不变的炉内

进行加热

达到所要求的温度后立即出炉

这种加热制度是用于加热薄的金属

如薄板 薄壁管等等

对于小断面的锻 轧料坯

也可以采用这种加热制度

因为这类金属断面比较小

加热初期不至于有

温度应力的危险

不必慢速加热

在加热末期时

断面上的温差也不大

所以不需要进行均热

二段制度是指整个加热过程

分为加热期和均热期

两个阶段的加热制度

开始阶段为加热期

即是把金属放入高温炉内进行加热

由于升温过快

金属断面可能有较大的温差

为了使温度均匀

再将金属在较低炉温的第二阶段

进行均热

使表面和中心温度区域均匀

加热曲线如图所示

这种制度是用于较大的热钢锭

或低碳冷钢锭

也适用于管束 叠板 棒束

等堆放金属在热处理炉中的加热

因为这类金属加热初期

不必考虑温度应力的危险

可进行快速加热

但加热终了时

应使断面温差减小

必须进行均热

三段制度是指加热过程分为

预热期 加热期和均热期

三个阶段的加热制度

如图所示

开始时 在金属温度达到

500至600摄氏度以前

以较慢的速度加热是为预热期

在金属温度达到500至600摄氏度

今后进行快速加热

是为加热期

在出炉前为了使断面温度均匀

还要设有均热期

三段制度适用于合金钢 高碳钢

或某些中碳冷锭钢的加热

也适用于某些特殊钢厚坯的加热

因为这类金属在开始加热时

必须要考虑温度应力的危险

在加热完了时

断面存在较大温差

需要进行均热处理

需要注意的是

在两段式连续加热炉中

炉段一般设置为预热段和加热段

三段式加热炉中

炉段一般设置为预热段

加热段和均热段

此时 炉段的设置

与这里定义的两段式和三段式

加热工艺是不同的

炉段中的预热段的设置

有可能仅仅是为了提高炉子热效率

降低废气出炉温度

这种情况下

就其本身金属加热而言

只是一段加热制度

或者是二段加热制度

最后 我们学习一下

金属加热时间的确定方法

确定金属加热时间

对实现正确加热来说是非常重要的

常用的确定加热时间的方法有两种

一种是基于传热学进行理论计算

另一种是根据经验来确定

首先我们讨论一下理论计算法

加热时 金属的温度场

会随时间而变化

加热过程是典型的非稳态

传导传热过程

计算金属的加热时间

首先要区别金属在一定加热条件下

是属于薄材还是厚材

区别于薄材与厚材的界限

不是看物体几何尺寸的厚薄

而是根据一些无量纲准则数来判断

例如毕渥数

根据毕渥数的定义

毕渥数越大

表示外部向物体表面的传热越强

所以物体表面与中心的温度差

也就越大

这时 即使物体的几何尺寸不大

也要当做厚材来处理

一般的毕渥数小于0.1的材料

可视为薄材

毕渥数大于0.1的材料

可视为厚材

薄材的加热时间可根据传热学中

集总参数法来进行计算

厚材的加热时间

需要在求解导热微分方程基础上

结合定解条件

也就是说几何条件 初始条件

边界条件等来进行确定

导热微分方程是二阶偏微分方程

解此类方程的数学过程比较复杂

在本课程中不予详述

这里仅列出其分析解

及相关的计算图线

对于非稳态导热问题

存在三种不同的边界条件

分别是第一类边界条件

也就是说已知金属表面的温度分布

第二类边界条件

也就是说已知金属表面上的

热流分布

第三类边界条件

也就是说已知金属周围介质的

温度分布

下面分别进行讨论

钢锭在均热炉内均热

金属在浴炉内加热

或者是金属在循环的液体中淬火

都可认为是第一类边界条件下导热

此时 金属表面温度一开始

就达到一定值

并基本保持不变

而内部的温度随时间

逐渐趋于表面温度

这类温度有两种不同的初始条件

第一种情况是开始时

物体内部没有温度梯度

各点的温度是均匀一致的

第二种情况是开始时

物体内部温度呈抛物线分布

对于第一种情况

我们以如图所示的

无限大金属平板双面加热为例

这里的无限大指的是金属板面积

相对于加热厚度而言很大

平板厚度中心点设为坐标原点

金属的厚度为2s

导热微分方程对应的定解条件如下

初开始时

金属内部的温度为常数t0

金属表面的温度为另一常数t表

且t表在加热过程中保持不变

根据上述定解条件

得到微分方程是的解为

t表减去t比上t表减去t0

等于函数φ1

其中φ1是aτ比上s的平方

与x比上s两个无量钢参数的函数

其中的aτ比上s的平方

是与时间有关的无量钢参数

传热学中将它定义为傅立叶数

可见 金属内部的温度

是坐标与加热时间的函数

已知加热时间

就可以算出坐标x点当时的温度t

反之 也可以求出

将物体内部某点加热到t

所需的时间

式中的函数φ1绘制成了

如图所示的曲线

工程计算时

函数值可以由此图查得

研究一般物体加热时

我们最关心的是中心温度

与时间的关系

当x等于0时

该点温度为中心温度t中

这时我们得到方程

t表减去t中

比上t表减去t0等于φ1中

其中 φ1中是傅立叶准则数函数

研究人员已将各种不同形状的

物体函数φ1中制成了图表

如图所示

只要给出加热时间

便可求出中心温度

反之 亦可

对于第二种情况

开始时 物体内部温度

呈抛物线分布

同样对于厚度为2s无限大金属板

如图所示

其定解条件为

初开始时 金属内部的温度为

t等于t0加上△t0

x的平方比上s的平方

t0为初始时金属中心的温度

金属表面的温度为常数t表

且t表等于t0加△t0

t表在加热过程中保持不变

根据上述条件得到的平板微分方程

特解为

t表减去t比上t表减去t0等于φ2

φ2是aτ比上s的平方

与x比上s

两个无量纲参数的函数

式中的函数φ2已被研究人员

绘制成如图所示的曲线

工程计算时

根据相关计算参数 结合曲线

便可计算出金属加热时间

在热处理工艺中

常常遇到金属表面温度

不断变化的加热过程

如加热速度等于常数的加热

此时 金属表面温度呈直线变化

即使金属表面温度的变化不是直线

也可近似的划分成若干个线段

每段都作为直线来进行计算

该情况对应的定解条件如下

初开始时

金属内部的温度为t0

金属表面的温度t表是时间τ的函数

即t表等于t0加上Cτ

C为加热速度

C值在加热过程中保持不变

使定解条件与导热微分方程联立

求得的解如下

对于平板和圆柱体

加热过程中的任意一点的温度值

是方程右侧四项之和

其中 t0为初始时金属内部的温度

C为加热速度

S为平板厚度的一半

R为圆柱体的半径

a为金属的导温系数

右侧第四项函数φ3

也可通过查图获得如图所示

第二类边界条件

是给出物体表面上

热流变化的规律

其中 最简单的是热流密度为常数

也就是说热流密度保持不变

此时 我们仍然以双面加热的

无限大金属平板为例

它的定解条件为

初开始时

金属内部的温度为t0

金属表面的热流密度为常数

由此 可得到的解析解

为如下方程所示

该方程中包含一个无穷极数

较为复杂

但根据数学分析

随着加热时间τ的增加

上式中无穷极数的和趋尽于0

此时 可以得到简化的解为

t等于t0加上q表乘以s

比上2倍的λ乘以2aτ比上s的平方

加上x比s的平方减去1/3

当x等于正负s时

t等于t表

得到的表面温度为t表等于t0

加强上q表乘以s比上2λ

再乘以2aτ比上s的平方加上2/3

当x等于0时

也就是说此时的坐标点

在板子的中心处

那么t等于t中

得到的中心温度为t中等于t0

加上q表乘以s比上2λ

乘以2aτ比上s的平方减去1/3

两式相减

可得到表面与中心的温度差为

△t等于t表减去t中

等于q表乘以s再比上2λ

由开始加热到τ等于s的平方除以6a

这段时间称为加热的开始阶段

在这个阶段

金属表面温度上升快

中心温度变化不大

在这个阶段以后

表面温度和中心温度同时上升

温度差保持常数

称为正规加热阶段

对于直径为2R的圆柱体

对称加热的话也可以得到相应的解

这时在τ等于R的平方除以8a之前

是开始阶段

在此之后是正规加热阶段

正规加热阶段的微分方程是的解为

t等于t0加上q表乘以R比上2λ

乘以4aτ比上R平方

加上r/R的平方减去1/2

当r等于R时

温度是表面温度

这时表面温度的值为t0加上q表

乘以2比上2λ乘以4aτ比上R的平方

加上1/2

当R等于0时

此时为圆柱体中心的温度

那么 t中等于t0加上q表

乘以R比上2λ

乘上4aτ比上R的平方减去1/2

两式相减可以得到圆柱体表面

与中心的温度差为

△t等于t表减去t中

等于q表乘以R比上2λ

第三类边界条件给出的是

作为介质温度随时间变化的关系

以及介质与基础之间热交换规律

最常见的情况是周围介质温度一定

这种情况适用于恒温炉的加热

也就是说 t炉等于常数

即使是非恒温炉中

也可以根据时间

或者是根本位置分成若干段

把每一段近似的认为

介质的温度等于常数

这种边界条件下的解

在金属加热计算中应用最为广泛

仍以厚2s的金属大平板

对称加热为例

由初开始时金属内部的温度为t0

金属表面的导热热流密度等于

炉气对金属表面的对流加辐射

综合换热热流密度

在此单值性条件下

导热微分方程的解为如下形式

其中△是a∑s比上λ的函数

传热学中

a∑s比上λ是一个无量纲参数

被定义为毕渥数

为此有t炉减去t比上t炉减去t0

等于φ4

φ4是傅立叶毕渥数

和x/s的函数

当x等于正负s时 t等于t表

上式变为

t炉减去t表比上t炉减去t0

等于φ4表

傅立叶数 毕渥数

当x等于0时 t等于t中

上式变为t炉减去t中

比上t炉减去t0等于φ4中

傅立叶数 毕渥数

φ4表和φ4中的函数

可以直接从图中查得 如图所示

对于圆柱体

微分方程式的解与平板的解相类似

只是函数φ4的值不同

如下图给出了求圆柱体加热时

用的函数φ4表和φ4中的值

综上

在进行金属加热的理论计算时

我们可以充分利用现有的图表

将计算过程大大简化

这些图表在工业炉设计手册上

可以方便的查得

作为未来的工程师

同学们要注意工具书的应用

除理论计算以外

金属加热时间

还可以根据经验法进行确定

实际上 经验公式来源于实践

计算结果与实际情况比较相符

是一种便捷的计算方法

但是 在运用这些公式和数据时

要注意对照炉子类型

生产工艺是否相当

否则 会带来很大的误差

下面 是一些计算金属加热的

经验公式

对于室状炉内金属加热

有时间τ等于εφKD再乘以根号下D

其中τ表示钢由0摄氏度

加热到1200摄氏度所需要的

加热时间 单位为小时

D为钢的厚度

对于方坯而言是方坯的厚度

对于圆坯而言 为圆坯的直径

单位是米

K表示随着钢种不同而变化的系数

可由不同钢种和加热温度下的

K值表来查得

φ为金属在炉内的布置

对加热的影响系数

可由钢坯形状和放置对φ值的

影响表查得

ε为金属表面修正系数

一般情况下

对于普通钢取值为1

对于不锈钢取值为2.22

对于Cr-Ni合金钢取值为1.1

对于双面加热碳钢的连续式加热炉

当两段式加热

且装料段的炉温为800至850

摄氏度时

加热时间τ等于7.5加上0.05

乘以s再乘以s 它的单位是分钟

当三段式加热

且装料段的炉温达到

900至1000摄氏度时

由加热时间τ等于5+0.1乘以s

再乘以s 单位也是分钟

这两个经验公式中

s指的是钢坯的厚度

单位是厘米

对于不同钢种的加热时间

还可以用下面的简化公式进行估算

也就是说

τ=CS

其中S为钢坯的厚度 单位是厘米

C为经验系数 单位是小时每厘米

在连续式加热炉内

对于低碳钢

C可以在0.1到0.15这个区间

进行取值

对于中碳钢及低合金钢

C在0.15至0.20之间

对于高碳钢及高合金结构钢

C是在0.2到0.3之间

对于高合金工具钢

C是在0.3至0.4之间进行取值

这里给出的C值仅是参考的数字

实际生产中

需要根据生产数据来重新回归

确定其大小

好 今天的课程就到这里

谢谢大家