Скорость нагрева металла в печи
Обновлено: 08.07.2024
Температура отпуска закаленных деталей определяется в зависимости от заданного в условиях задачи численного значения предела текучести и ударной вязкости (относительного удлинения) по приводимым в справочниках графическим (рис. 1) или табличным данным. Время отпуска принимается 45…60 мин.
Температуру отпуска определяем, исходя из условия обеспечения предела текучести не ниже 700 МПа и КСU не менее 0,5 МДж/м 2 . Для стали 40Х имеем температуру отпуска 600 0 С, время отпуска принимаем 45 мин, охлаждение в масле для предотвращения отпускной хрупкости II рода.
В качестве нагревательных устройств в условиях серийного производства в соответствии с данными табл. 14 принимаем следующие устройства.
Закалка: камерная печь серии СНО с электрическим нагревом типа СНО-4 . 8 . 2,5/10.
Отпуск: шахтная печь серии ПН с электронагревом типа ПН-32.
Ответ: Принимаем следующие режимы термической обработки. Закалка: температура нагрева 812…832 0 С, время выдержки 30 мин, охлаждение в минеральном масле. Отпуск: температура нагрева 600 0 С, время нагрева и выдержки 45 мин, охлаждение в масле.
Принимаем следующие нагревательные устройства:
Закалка: камерная печь типа СНО-4 . 8 . 2,5/10.
Отпуск: шахтная печь типа ПН-32.
Далее оформляется маршрутная карта обработки (рис. 2). В связи со сложностью оформления карт по стандартам Единой системы технологической документации (ЕСТД) при выполнении заданий по проектированию технологии в данном комплексе учебно-методических материалов принят упрощенный учебный вариант оформления маршрутной карты. Правила построчной записи информации в карты соответствуют требованиям ЕСТД.
Для студентов групп ММ специальности «Материаловедение в машиностроении» выполнение и оформление документов на технологические процессы термической обработки должно выполняться в соответствии с требованиями ГОСТ 3.1405-86. ЕСТД.
Сталь 40Х ГОСТ 4543-71
КСU = 0,5 МДж/м 2
Электропечь СНО-4×8×2,5/10
Рис. 2. Маршрутная карта термической обработки (пример)
Пример 2. Обеспечить поверхностное упрочнение на глубину 0,4 мм вала диаметром 30 мм. Твердость поверхностного слоя HRC 60, предел текучести сердцевины не ниже 900 МПа.
Решение. В соответствии с заданными техническими требованиями принимаем по данным табл. 18 в качестве способа упрочнения нитроцементацию, закалку и низкий отпуск; марка стали 35Х. В этом случае по справочным данным обеспечивается при диаметре детали до 30 мм предел текучести сердцевины 930 МПа, твердость поверхностного слоя HRC 58. 64, глубина упрочняемого слоя 0,2…0,8 мм. Эти данные соответствуют техническим требованиям в условиях задания.
Ответ. Принимаем для поверхностного упрочнения детали нитро-цементацию с закалкой и низким отпуском. Выбираем марку стали 35Х ГОСТ 4543-71.
Пример 3. Назначить режим азотирования детали диаметром 30 мм из стали 38Х2МЮА на глубину 0,6 мм с HV 950. Выбрать нагревательное устройство для проведения азотирования.
Решение. В соответствии с рекомендациями по азотированию принимаем следующий ступенчатый режим азотирования: 500. 520 0 C, 12 часов, а затем 550…570 0 С, 42 часа (степень диссоциации аммиака 20…40 % и 50…60%).
По табл. 14 принимаем для азотирования шахтную электрическую печь США – 6 . 6/7.
Ответ. Принимаем ступенчатый режим азотирования: 500…520 °С, 12 ч и 550…570°С 42 ч.
Принимаем следующее нагревательное устройство: шахтная печь типа США – 6 . 6/7.
Пример 4. Назначить режим цементации на глубину 1,5 мм зубчатых колес диаметром 70 мм для коробки передач автомобиля; сталь 25ХГТ. Выбрать оборудование для проведения цементации.
Решение.В соответствии с рекомендациями по газовой цементации принимаем следующий режим: температура нагрева 920 0 С, время цементации 8 часов, науглероживающая среда: керосин (40 капель/мин).
В качестве нагревательного устройства принимаем шахтную печь Ц–105 Б. (табл. 14).
Ответ.Принимаем режим цементации: температура нагрева 920 0 С, время 8 часов и нагревательное устройство: шахтная печь Ц–105 Б с подачей керосина.
Далее оформляется маршрутная карта обработки.
Варианты для практических занятий
Задача №1.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления валов диаметром 50 мм редуктора. По расчету сталь должна иметь предел прочности при растяжении не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Задача №2.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала двигателя. Вал должен иметь предел прочности при растяжении не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м 2 . Диаметр вала:
а) 35 мм; б) 50 мм; в) 120 мм.
Задача №3.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала диаметром 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть не ниже 800 МПа, ударная вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Задача №4.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для шатунов с поперечным сечением стержня 40 мм двигателя внутреннего сгорания. Сталь должна иметь предел прочности при растяжении не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м 2 .
Задача №5.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления коленчатых валов с диаметром шейки 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть не ниже 750 МПа, ударная вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Задача №6.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала тяжелонагруженного прицепа. Вал должен иметь предел прочности не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м 2 .
Диаметр вала: а) 40 мм; б) 75 мм; в) 150 мм.
Задача №7.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 50 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58 … 60, толщина поверхностного твердого слоя 0,7 … 0,9 мм.
Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 800 МПа.
Задача №8.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для стаканов цилиндров мощных дизельных двигателей, которые должны обладать повышенной износостойкостью поверхностного слоя (HV 1000 … 1050); толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм; предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 750 МПа.
Задача №9.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки поршневых пальцев диаметром 50 мм автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60), толщину поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.
Задача №10.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 30 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть HRC 58 … 60; толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 700 МПа.
Задача №11.
Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для поршневого пальца диаметром 15 мм двигателя мотоцикла. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60) и предел текучести в сердцевине не ниже 650 МПа. Толщина поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,6 мм.
Задача №12.
Выбрать марку стали, вид и режим термическойобработки для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58; толщина поверхностного твердого слоя 0,6 … 0,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.
Контрольные вопросы
1. Проектирование и состав технологического проекта.
2. Расчёт годовой программы выпуска изделий.
3. Технические условия.
4. Типы машиностроительного производства.
5. Требования к материалам машиностроения.
6. Типовая упрочняющая термическая обработка деталей машин из конструкционных сталей.
7. Определение температурно-временных режимов объёмного упроч-нения деталей машин.
8. Разновидности упрочнения поверхностных слоев деталей машин.
9. Принципы выбора вида поверхностного упрочнения деталей машин.
10. Нагревательные устройства для разных типов машиностроительного производства.
11. Классификация конструкционных сталей по степени загруженности деталей машин.
12. Газовая цементации деталей машин.
13. Термическая обработка цементованных деталей машин.
14. Разновидности термической обработки алюминиевых сплавов.
15. Маршрутная карта МК и операционная карта ОК для описания технологического процесса.
16. Понятие продукции по международному стандарту ИСО 8402-86.
17. Понятие сертификации продукции.
18. Понятие сертификации системы обеспечения качества продукции по международным стандартам.
19. Стадии жизненного цикла продукции.
20. Этапы «петли качества»продукции.
21. Понятие «сооружения» и «здания».
22. Конструктивные элементы зданий.
23. Характеристики промышленных зданий.
24. Оборудование промышленных зданий.
25. Оборудование промышленных участков.
26. Планировочный чертёж (планировка) цеха.
27. Опасные и вредные производственные факторы.
28. Требования в безопасности технологических процессов.
29. Требования в отношении пожарной безопасности.
30. Мероприятия по защите атмосферного воздуха и водного бассейна.
Заключение
Комплекс учебно- методических материалов состоит из опорного конспекта лекций, практических занятий, контрольных вопросов. На основе многолетнего опыта преподавания вопросов технического проектирования термической обработки изделий машиностроения в Нижегородском университете им. Р.Е. Алексеева рассмотрены в комплексе проектирования сведения о конструкции и оборудования промышленных зданий, планировки оборудования, безопасность и экологичность производства. Изложения сопровождается значительным количеством примеров, что способствует лучшему усвоению вопросов, рассматриваемых в учебно-методический материалах.
Предлагаемые материалы подготовлены в связи с тем, что по данным составителей за последние двадцать лет учебные пособия по проектированию технологических процессов термической обработки, конструкции и оборудования промышленных зданий не издавались. Предлагаемое издание позволяет в некоторой мере заполнить образовавшуюся «нишу» и должно, способствовать улучшению технологической подготовки специалистов технического университета.
§ 8. НАГРЕВ МЕТАЛЛА
Металл нагревается в печах для улучшения его пластических свойств перед обработкой давлением — прокаткой, ковкой или штамповкой, а также при термической обработке. От правильного режима нагрева металла зависит качество получаемых из него изделий: их структура, внешний вид и механические свойства.
Тепло, воспринимаемое поверхностью нагреваемого металла, передается от наружных слоев к внутренним за счет теплопроводности. При очень быстром нагреве тепло не успевает распространиться с поверхности внутрь металла. В связи с этим возникает большая разность в температурах наружных и внутренних слоев, и температурное расширение внутренних слоев отстает от расширения наружных слоев. Поэтому между наружными и внутренними слоями создаются так называемые температурные напряжения. Они тем больше, чем больше разница температур в различных частях нагреваемого металла. При большой разности температур эти напряжения возрастают до такой величины, что в металле могут появиться трещины. Поэтому металл необходимо нагревать равномерно с определенной скоростью. Особенно это относится к интервалу температур до 750—800° С. По достижении температур порядка 800° С сталь приобретает достаточные пластические свойства и ее можно нагревать с любой скоростью, не опасаясь образования трещин. Скорость нагрева задается обычно технологами в минутах на 1 см толщины заготовки или слитка. Для обычных сталей она лежит в пределах 5— 9 м/сек. С большей скоростью можно нагревать сталь толщиной до 50—80 мм и заготовки из малоуглеродистой стали, в которых при быстром нагреве больших напряжений не возникает, во-первых, в связи с небольшой толщиной, и, во-вторых, благодаря большой теплопроводности.
Для качественного нагрева стали имеет значение также и температура нагрева. При нагреве больше определенной температуры зерна стали начинают быстро расти, что может понизить ее качество. Помимо этого при сильном перегреве сталь становится не только крупнозернистой, но и значительно обезуглероживается. При обработке такая крупнозернистая обезуглероженная сталь дает трещины, а при сильном перегреве (пережоге) может даже развалиться на куски. Поэтому каждый сорт стали следует нагревать не только с определенной скоростью, но и до определенной температуры.
В продуктах горения содержится свободный кислород, водяные пары и углекислота, которые при высокой температуре, соединяясь с железом, окисляют его и на поверхности нагреваемого металла появляется слой окисленного железа — окалина, которая при дальнейшей обработке заготовки отпадает, что ведет к потере металла — угару. Толщина слоя окалины зависит от продолжительности пребывания металла в зонах печи с высокими температурами. Окисление начинается при температуре 600— 700° С, однако значительных величин достигает при более высоких температурах порядка 900—1000° С. Поэтому чем дольше металл находится при температурах выше 900—1000° С, тем больше будет его угар, а следовательно, и потеря. Помимо потери металла окалина ухудшает вид наружной поверхности изделий — после удаления окалины поверхность получается не гладкой, а шероховатой.
При нагреве стали происходит также обезуглероживание поверхностного слоя слитков или заготовок, так как углерод, содержащийся в стали, соединяется с кислородом продуктов горения и выгорает. Обезуглероживание снижает качество металла. Как на окисление, так и на обезуглероживание металла оказывает большое влияние состав продуктов горения — атмосфера в печи. Для уменьшения потерь металла с угаром и получения изделий с гладкой, неокисленной поверхностью применяют специальные печи, в которых создается нейтральная атмосфера, или печи безокислительного нагрева.
Режим нагрева заготовок
В процессе нагрева металла необходимо обеспечить достижение температуры начала ковки, равномерный прогрев заготовок, минимальное обезуглероживание и окисление поверхности, сохранение целостности заготовки.
Качество нагрева заготовок определяется режимом нагрева, характеризуемым рядом факторов, таких, как температура в нагревательной печи во время загрузки заготовок, скорость нагрева, температура металла перед ковкой и время выдержки при этой температуре, продолжительность нагрева.
Температура печи в момент загрузки холодных заготовок зависит от марки стали, размеров поперечного сечения и формы заготовок. Заготовки с диаметром поперечного сечения или стороной квадрата менее 100 мм из углеродистых конструкционных сталей обычно сажают в печь с температурой в рабочей камере 1200 — 1300° С холодными. Нагрев высокоуглеродистых и высоколегированных сталей производят по ступенчатому режиму. Эти стали обладают низкой теплопроводностью и при высокой скорости нагрева в них могут образоваться трещины. Наиболее вероятно образование трещин в таких сталях при нагреве до температуры 500— 700° С, так как при высокой скорости нагрева и низкой теплопроводности наружные слои металла имеют более высокую температуру, чем внутренние. В результате наружные слои оказываются сжатыми, а внутренние — растянутыми. Возникшие термические напряжения при еще недостаточной пластичности металла приводят к образованию трещин. Чтобы на заготовках из высокоуглеродистых и легированных сталей не образовывались трещины, их загружают в печь с температурой рабочего пространства не выше 500° С и выдерживают при этой температуре определенное время, которое зависит от размера поперечного сечения и формы заготовки. После прогрева заготовки по всему объему проводят дальнейший нагрев до ковочной температуры.
Скорость нагрева заготовок представляет собой величину возрастания температуры металла заготовки в единицу времени. На величину скорости нагрева оказывают влияние теплопроводность и теплоемкость стали, сечение и форма заготовки, расположение заготовок на поду печи и разность температур печи и заготовки.
Нагрев заготовок происходит излучением и конвекцией. При излучении передача тепловой энергии заготовке происходит посредством электромагнитных волн от продуктов горения топлива и внутренней поверхности рабочей камеры печи. При конвекции передача теплоты происходит частицами нагретого газа. В пламенных печах нагрев заготовок начинается с их поверхности путем проникновения теплоты внутрь заготовки, которое в свою очередь зависит от теплопроводности металла. Поэтому при прочих равных условиях скорость нагрева заготовки тем выше, чем выше теплопроводность металла.
Чистые металлы имеют более высокую теплопроводность, чем сплавы. Высокоуглеродистая сталь почти в 1,5 раза менее теплопроводна, чем низкоуглеродистая.
Чем меньше теплоемкость металла, тем меньше требуется теплоты для нагрева его до заданной температуры. Скорость нагрева заготовки, изготовленной из металла с меньшей теплоемкостью, выше по сравнению со скоростью нагрева заготовки из металла с большей теплоемкостью.
Форма заготовок оказывает влияние на скорость нагрева, так как при равных объемах заготовки различной формы имеют различную площадь поверхности, через которую заготовке передается теплота. Например, при равных объемах заготовка круглого сечения нагревается быстрее, чем прямоугольного или квадратного.
Скорость нагрева зависит от расположения заготовок на поду печи. Так, если заготовка прямоугольного сечения расположена одна на поду печи, то теплота воспринимается всей поверхностью заготовки; если заготовки уложены плотно одна к другой, то поверхность каждой отдельной заготовки, воспринимающая теплоту, уменьшается, и скорость нагрева снижается. Влияние расположения заготовок на поду печи на скорость нагрева учитывают с помощью поправочных коэффициентов, значения которых указаны на рис. 12.
Скорость нагрева металла также зависит от разности температур печи и заготовки. Чем выше разность температур или так называемый температурный напор, тем быстрее при прочих равных условиях нагревается заготовка.
Нагрев металла необходимо проводить с наибольшей скоростью. При этом происходит меньший рост зерна, снижаются потери металла в окалину и выгорание углерода на поверхности стальных заготовок, уменьшается глубина обезуглероженного слоя.
Однако в связи с возникновением при нагреве термических напряжений скорость нагрева металла необходимо ограничивать определенной допустимой скоростью, превышение которой приводит к образованию трещин в нагреваемой заготовке. Допустимая скорость нагрева зависит от пластичности и теплопроводности металла, размеров сечения, структуры металла заготовки и других факторов.
Понятие о допустимой скорости нагрева относится к заготовкам большого сечения и к первоначальному периоду нагрева до 500— 700° С. Скорость нагрева заготовок небольшого поперечного сечения (80—100 мм) из достаточно пластичных сталей, как правило, не ограничивают.
Продолжительность нагрева заготовок зависит от химического состава стали, размера заготовки и скорости нагрева. Ориентировочно продолжительность нагрева можно определить по следующей формуле:
где Т — продолжительность нагрева, ч; а — коэффициент, учитывающий расположение заготовок на поду печи (значения а приведены на рис. 12); k — коэффициент, зависящий от химического состава стали (для углеродистой стали k = 10, для легированной к = 20); D — диаметр или сторона квадрата нагреваемой заготовки, м.
При нагреве заготовок из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей могут появляться трещины, поэтому общую продолжительность нагрева делят на два периода. В первый период заготовку нагревают более медленно до температуры 650° С. Про-должителькость_первого периода можно определить по формуле Т1= 13,3* aD√ D, продолжительность второго периода — по формуле Т2 = 6,7 aD√ D, где Т1 и Т2 — продолжительность первого и второго периодов, ч.
Практически продолжительность нагрева мелких заготовок меньше времени, рассчитанного по этим формулам. В пламенных печах для скоростного нагрева продолжительность нагрева заготовок сокращают в четыре — шесть раз.
Продолжительность нагрева заготовок определяют по таблицам, составленным на основании опытных данных. В качестве примера в табл. 3 приведена продолжительность нагрева катаных заготовок из углеродистых конструкционных сталей диаметром до 100 мм.
Продолжительность нагрева высоколегированных сталей следует увеличивать в 1,5—2 раза по сравнению с табличными данными, углеродистой инструментальной стали — в 1,25—1,5 раза.
От выбора режима нагрева зависят качество поковок, расход топлива, производительность труда кузнецов и эффективность использования оборудования и инструмента. При правильно назначенном режиме нагрева получают поковки с мелкозернистой структурой, имеющие высокие механические свойства. Ошибочные режимы нагрева могут приводить к образованию трещин в металле как в процессе нагрева, так и в процессе ковки.
Таблица3. Время нагрева, мин, до 1200 0С холодных заготовок из конструкционных углеродистых и среднелегированных сталей при температуре печи 1300 0С.
Режим нагрева заготовок и охлаждения поковок
Нагрев заготовок для ковки и штамповки следует осуществлять с технологически возможно большей скоростью, за возможно меньший промежуток времени. Это снижает рост зерна нагреваемого металла; уменьшает потери металла на окалину (угар) на поверхности нагреваемых заготовок под воздействием кислорода атмосферы; снижает расход топлива; уменьшает трудоемкость металлообработки; увеличивает производительность труда; повышает рентабельность нагрева.
Вместе с тем, при больших скоростях пламенного нагрева заготовок, из-за значительного температурного градиента (перепада температуры) между периферийными и срединными частями нагреваемого металла возникают термические напряжения, являющиеся причиной появления микро- и макротрещин. Поэтому наряду с технически возможной скоростью обязательно следует учитывать и допустимую скорость нагрева заготовок.
В пламенных печах, где нагрев заготовок осуществляется с их поверхности, технически возможная скорость нагрева зависит, в основном, от теплоотдачи, то есть от ее начальной температуры. Причем, температурный напор (разность между температурой печи и температурой заготовки) является основным фактором, с помощью которого можно регулировать скорость нагрева металла.
При данном температурном напоре допустимая скорость нагрева будет тем меньше, чем меньше температуропроводность нагреваемого металла, чем больше поперечное сечение заготовки и чем меньше отношение облучаемой поверхности
к объему заготовки. Стали с большим содержанием углерода и легирующих компонентов имеют меньшую температуропроводность и при этом нагревать их надо медленнее.
При различной форме поперечного сечения заготовок (круглой, квадратной и др.) и различной их укладке на поду печи, облучаемая поверхность будет разной и, следовательно, разным будет и время нагрева.
Вместе с тем, следует учитывать то, что при повышенной температуре (Т>800°С) металл становится более пластичным и опасность возникновения термических трещин снижается. Поэтому допускаемая скорость нагрева учитывается, обычно, только в начальной стадии нагрева металла.
В специальной технической литературе [5] имеется ряд рекомендаций для определения продолжительности времени нагрева различных заготовок. Обычно это развернутые табличные данные, в которых в зависимости от материала и размеров исходных заготовок, их укладки в печи и температуры печного пространства указано время (в минутах) продолжительности нагрева металла до ковочной температуры.
Время нагрева заготовок в методических или полуметодических печах может быть определено расчетным путем с достаточной для практики точностью и по формуле, предложенной Ю.М.Чижиковым [5]:
где t – время нагрева в часах; d – диаметр заготовки в см; K=0,1–0,4 – коэффициент, меньшее значение которого приемлемо для малоуглеродистых, а большее значение – для высоколегированных сталей. Эта формула дает хорошие результаты для заготовок диаметром менее 300–350мм.
Время нагрева заготовок в камерных печах в интервале температур 20–1200°С может быть рассчитано по формуле, предложенной Н.Н. Доброхотовым [9]:
где t – время нагрева в часах; a – коэффициент учета формы заготовки и ее укладки на поду печи; K=10–20 – коэффициент, учитывающий содержание в нагреваемом металле углерода и легирующих элементов; d – диаметр заготовки в метрах.
При выборе коэффициента a его назначают из интервалов значений a=1–2 или a=1–4 соответственно для заготовок с круглым или квадратным поперечным сечением. При этом меньшие значения a принимают в случае загрузки печи еди
ничными заготовками, а большие значения – при загрузке печи партией заготовок «навалом».
При выборе коэффициента К его меньшие значения принимают для малоуглеродистых сталей, а большие значения – для высоколегированных сталей.
С учетом допустимой скорости нагрева металла, продолжительность первой стадии нагрева в интервале температур 20–800°С обычно составляет 2/3 всего времени нагрева. Продолжительность второй стадии нагрева в интервале температур 800–1200°С с учетом выдержки металла при конечной температуре составляет 1/3 всего времени нагрева.
Все сказанное выше относится к нагреву заготовок в пламенных печах. Что же касается электронагрева (индукционного, нагрева сопротивлением), когда нагрев заготовки осуществляется не теплопередачей с ее поверхности вглубь, а происходит одновременно по всему поперечному сечению металла, то тогда скорость нагрева увеличивается в 7–20 раз.
Температурный фактор оказывает существенное влияние на качество металла поковки не только в момент нагрева заготовки для последующей обработки давлением, но также и в момент охлаждения поковки после ее ковки или штамповки. При этом под воздействием атмосферы поверхность поковки остывает более интенсивно, чем ее внутренние слои. В результате в периферийных слоях поковки возникают растягивающие напряжения, а внутренние ее слои испытывают напряжения сжатия. Эта неравномерность напряженного состояния по поперечному сечению изделия может привести к возникновению поверхностных и внутренних микро- и макротрещин. Вероятность их образования тем больше, чем интенсивнее охлаждение поковки. Поэтому охлаждение металла нужно выполнять в режиме, обеспечивающем возможно большую равномерность остывания по поперечному сечению поковки.
Режимы охлаждения поковок (на воздухе, в штабелях, в термосах или в колодцах, вместе с печью) следует назначать, в зависимости от марки стали (низко-, средне- и высокоуглеродистые; мало-, средне- и высоколегированные) и размеров поперечного сечения изделий с учетом практических рекомендаций таблицы 6.2. При охлаждении на воздухе (на спокойном воздухе, но не сквозняке) поковки размещают на полу цеха в индивидуальном порядке (вразброс). Земляной (глинобитный) пол, на котором происходит охлаждение поковок, должен быть сухим. Металлический пол цеха (уложенный металлическими плитами) может вызвать быстрый отвод тепла от наружных слоев поковок.
Рекомендуемые режимы охлаждения поковок
| Вид сталей | Размеры поковок в поперечном сечении, мм | ||
| до 100 | св. 100 до 200 | св. 200 | |
| Низкоуглеродистые | на воздухе | ||
| Среднеуглеродистые и малолегированные | на воздухе | в штабелях | в колодцах |
| Высокоуглеродистые и среднелегированные | в штабелях | в колодцах | вместе с печью |
| высоколегированные | вместе с печью |
При охлаждении на полу следует предотвращать возможность возникновения сквозняка, вызывающего местные интенсивные охлаждения поковок. Вреден сквозняк также при охлаждении поковок, имеющих значительное отношение длины к диаметру, или при охлаждении поковок с переменным сечением. В этих случаях из-за неравномерности охлаждения поковку может «повести» (искривится ее осевая линия).
При охлаждении в штабелях поковки укладывают в кучи (штабели) навалом и также охлаждают на воздухе.
Мелкие поковки охлаждают в металлическом ящике (футерованном огнеупорным кирпичом) на подстилке из песка, асбестовой ваты или шлака. Если ящик не футерован, то его сверху закрывают крышкой из асбестовых листов и засыпают слоем песка или шлака.
Крупные поковки, требующие медленного охлаждения, помещают в колодцы (ямы). Каждую поковку в колодцах также засыпают песком или шлаком, а заполненный колодец закрывают металлическими листами и присыпают песком или шлаком.
Охлаждение вместе с печью дает возможность активно регулировать скорость охлаждающего процесса. При этом в печь, нагретую до температуры около 700°С, помещают партию поковок и выдерживают их до выравнивания температуры всей садки. После чего начинают охлаждение поковок вместе с печью либо по специальному ступенчатому графику, либо произвольно по мере естественного остывания печи.
Нагрев металла перед прокаткой
Нагрев металла перед прокаткой осуществляется с целью повышения его пластичности и уменьшения его сопротивления деформации. Нагрев является одной из важных и основных операций в процессе прокатки. Он должен обеспечить равномерное распределение температуры по сечению прокатываемого металла, его минимальное окисление и обезуглероживание.
Характер передачи тепла определяет способ нагрева металла. Различают два способа; прямой и косвенный. Если тепло аккумулируется непосредственно в самом металле, а температура окружающей среды остается ниже температуры металла, то такой способ называется прямым. Если тепло металлу передается за счет соприкосновения его поверхности с какой-либо средой (газообразной, жидкой, твердой), нагретой до более высокой температуры, то такой способ нагрева называется косвенным.
Передача тепла металлу при косвенном нагреве происходит за счет конвекции и излучения. Количество тепла, передаваемое излучением в нагревательных печах, достигает 80 % всего тепла. При нагреве металла происходит активное химическое взаимодействие его с окружающими газами, в результате чего поверхностные слои его окисляются и обезуглероживаются. Окисление поверхности металла называется угаром. При нагреве стали окисленный слой представляет собой окалину, которая образуется в результате диффузионного процесса окисления железа и примесей, входящих в состав стали. Окалина состоит из окислов железа в виде соединений Fe203, Fe304 и FeO, располагающихся в трех слоях. Наружный ее слой Fe203 - гематит составляет примерно 2% от общей толщины окалины, промежуточный слой Fe304 - магнетит примерно 18%, а внутренний FeO - вюстит - 80%.
Образование окалины при нагреве приводит к потере годного металла. При нормальной работе нагревательных устройств угар металла составляет 1-2% массы металла, а при неудовлетворительной их работе 4-5%. Если учесть, что в процессе прокатки металл нагревается несколько раз, то можно принять угар в среднем 3-4% от массы металла. Активное окалинообразование при нагреве стали начинается при температуре около 700 °С и возрастает особенно быстро при температурах выше 900 °С.
На величину угара, то есть на величину образования окалины, влияют:
- температура нагрева;
- атмосфера рабочего пространства нагревательного устройства;
- продолжительность нагрева;
- химический состав металла;
- форма и размеры нагреваемой заготовки.
На рисунке показано влияние температуры и продолжительности нагрева металла в печи на окалинообразование. Видно, что окисление металла тем больше, чем больше времени он находится в печи при высоких температурах, и тем меньше, чем больше скорость нагрева.
1 – влияние температуры в печи на окалинообразование;
2 - влияние продолжительности нагрева на окалинообразование.
При нагреве легированных сталей и сплавов окалинообразование снижается в результате наличия Cr, Ni, Al, Si и т.д. Эти легирующие компоненты образуют плотную пленку окислов, которая препятствует дальнейшему окислению металла.
На скорость окисления оказывает влияние состояние наружной поверхности металла. При наличии слоя окалины, образовавшегося в результате предыдущего нагрева, металл окисляется с меньшей скоростью, так как этот слой окалины предохраняет в какой-то степени металл от окисления. Отношение поверхности нагреваемого металла к его объему также оказывает влияние на окисление металла: чем больше это отношение, тем сильнее окисление металла.
Одновременно при нагреве металла происходит и обезуглероживание его поверхностного слоя, представляющее процесс взаимодействия печных газов с углеродом стали, приводящее к уменьшению содержания углерода в поверхностном слое металла.
Глубина обезуглероженного слоя зависит:
- от содержания углерода в стали;
- температуры нагрева;
- продолжительности нагрева.
Углеродистые стали с содержанием углерода до 0,30-0,40% почти не обезуглероживаются, а с содержанием углерода выше 0,40% процесс обезуглероживания протекает тем интенсивнее, чем больше содержание углерода. Повышение температуры и продолжительности нагрева также увеличивают глубину обезуглероженного слоя. Таким образом, на процесс обезуглероживания влияют те же факторы, что и на окалинообразование.
При температурах нагрева, близких к точке плавления стали, внутрь ее проникает кислород, который окисляет зерна. В результате связь между зернами стали настолько ослабляется, что металл при прокатке разрушается. Это явление называется пережогом. Оно происходит тем легче, чем выше температура нагрева и чем больше окислительная атмосфера в печи. Явления перегрева и пережога чаше всего возможны при вынужденной задержке металла в печи. Чтобы избежать перегрева и пережога необходимо понижать температуру печи и уменьшать количество подаваемого воздуха.
При назначении режимов нагрева металла обычно исходят из следующих параметров: температуры и скорости нагрева, времени выдержки при постоянной температуре (томления). При прокатке металл нагревают до возможно высоких температур, так как в этом случае снижаются расход энергии, усилие деформации, износ инструмента. При назначении температуры нагрева, как правило, верхний предел температуры нагрева ограничивается явлениями перегрева и пережога и устанавливается на 100-150 °С ниже точки плавления, а нижний предел - температурой рекристаллизации, т.е. минимально допустимой температурой конца прокатки. У некоторых сталей и сплавов температурный интервал прокаткидостаточно узкий, ограниченный различными изменениями в структуре металла.
Скорость нагрева зависит от теплопроводности металла. Чем выше теплопроводность, тем выше скорость нагрева, и наоборот. Для сталей с низкой теплопроводностью нагрев со слишком большими скоростями может привести к образованию трещин в результате возникновения внутренних напряжений из-за перепада температур между поверхностями и внутренними слоями. Поэтому нагрев таких сталей следует вести медленно, особенно до 600-650 °С. При температуре нагрева выше 700 °С все стали можно нагревать с максимально возможной скоростью. Большая скорость нагреваобеспечивает не только высокую производительность нагревательных устройств, но и предотвращает образование некоторых дефектов.
После достижения заданной температуры нагрева с целью выравнивания температуры металла по его сечению его в течение определенного времени выдерживают в печи. Этот третий период нагрева улучшает качество нагреваемого металла, так как происходят некоторые структурные изменения, выравнивание химического состава в результате диффузии и соответствующее улучшение механических свойств, диффузионное удаление водорода, наличие которого в некоторых сталях приводит к образованию флокенов после прокатки.
В зависимости от технологии нагрева нагревательные устройства могут обеспечить одно-, двух-, трех- и многоступенчатый нагрев.
Одноступенчатый нагрев осуществляется при постоянной температуре печи или при постоянном тепловом потоке. Его применяют для нагрева листов, труб, заготовок, сутунок и одиночных горячих слитков.
При двухступенчатом нагревена первой ступени осуществляется собственно нагрев, на второй - выдержка при постоянной температуре.Двухступенчатый нагрев применяется для нагрева горячего посада всех марок стали в двухзонных методических печах и холодного посада углеродистой стали в нагревательных колодцах.
Трехступенчатый нагрев состоит из первой ступени, на которой скорость нагрева поддерживается небольшой, на второй - ускоренный нагрев, и на третьей - томление при постоянной температуре. Этот режим применяют в трехзонных нагревательных печах, нагревательных колодцах и др.
Многоступенчатый нагрев применяется при термической обработке. Он состоит из ряда периодов нагрева, выдержки и охлаждения.
По режиму нагрева различают камерные и методические печи. В рабочем пространстве камерной печитемпература одинакова. В методической печи температура изменяется по длине печи.
По способу загрузки и выгрузки различаются печи периодического и непрерывного действия. В печах периодического действия металл в процессе нагрева остается неподвижным. В печах непрерывного действия нагреваемый металл перемешается вдоль печи.
По типу источников тепла печи разделяются на электрические (индукционные, сопротивления) и пламенные (газовые и др.).
По способу использования тепла продуктов сгорания печи делятся на рекуперативные и регенеративные. Нагревательные колодцы применяют для нагрева слитков и бывают регенеративные, рекуперативные и электрические. Регенеративные и рекуперативные колодцы называются так потому, что в них используются регенераторы и рекуператоры - специальные устройства (насадки, трубы) для подогрева воздуха (до 800-850 °С) и газа (до 300-350 °С) за счет частичного использования тепла отходящих продуктов горения. Слитки нагревают в вертикальном положении, что предотвращает опасность смешения усадочной раковины и устраняет их кантовку. Большая часть поверхности слитков омывается продуктами сгорания и получает тепло излучения от кладки, что обеспечивает равномерный и быстрый нагрев.
В настоящее время предпочтение отдается рекуперативным нагревательным колодцам с отоплением из центра подины или с отоплением одной верхней горелкой, которые характеризуются, высоким уровнем и качеством нагрева, достаточно простой конструкцией, компактностью. Каждая группа колодцев состоит из четырех камер. Годовая производительность одной группы составляет 250000 т нагретого металла в год. Угар металла в рекуперативных нагревательных колодцах достигает 2,5-3 % от массы нагревательных слитков.
Для нагрева блюмов, слябов и заготовок перед прокаткой используются методические нагревательные печи непрерывного действия различных типов и конструкций. Современные печи бывают двух-, трех- и многозонными.
Наиболее важными классификационными признаками методических печей являются:
- температурный режим по длине печи;
- характер нагрева металла;
- способ выдачи металла из печи (боковая или торцовая выдача).
Нагреваемый металл в методической печи, перемещаясь от окна загрузки к окну выдачи, проходит последовательно зоны с различной температурой, соответствующей заданному режиму нагрева. По мере продвижения металл отбирает тепло у печных газов, движущихся ему навстречу, и постепенно (методически) нагревается. Печные газы, отдавая тепло металлу, в конце печи через соответствующие каналы попадают в регенераторы или рекуператоры и в боров, а через него в дымовую трубу. В I зоне - методической происходит нагрев до невысоких температур, во II зоне - сварочной - нагрев до температуры обработки, а в томильной зоне III - выдержка.
По способу перемещения нагреваемых заготовок методические печи разделяются на толкателъные, с шагающим подамили балками и с вращающимся подом.
В толкательных печах заготовки, подаваемые в рабочую камеру толкателем заполняют весь пол, соприкасаясь друг с другом. По мере заталкивания новой заготовки вся масса нагреваемого металла продвигается к окну выдачи по водоохлаждаемым глиссажным трубам, и очередная заготовка по наклонным направляющим падает на приемный рольганг.
Принцип перемещения металла в печах с шагающим подом (балками) иной. Под печи состоит из подвижных (шагающих) и неподвижных балок. Шагающие балки поднимают заготовки, затем совершают движение вперед и опускают их на неподвижные балки. После этого подвижные балки возвращаются в исходное положение. Такое движение повторяется многократно. При этом заготовки, лежащие на шагающих балках с зазорами, перемещаются вдоль печи. По сравнению с толкательными печи с шагающим подом (балками) имеют следующие преимущества:
- сокращение продолжительности нагрева и повышение его равномерности благодаря расположению заготовок на балках с зазорами и тем самым возможности обогрева их с трех или четырех сторон;
- более легкое освобождение печи от металла в случае аварийных ситуаций;
- возможность нагрева заготовок любой формы поперечного сечения;
- отсутствие ограничений печи по длине и ширине;
- лучшие технические показатели работы печи.
Для нагрева заготовок при поштучной прокатке тонких листов применяют печи с вращающимся подом или карусельные. Заготовки укладываются через боковое окно загрузки на под печи, а обогрев печи осуществляется при помощи горелок, расположенных по окружности печи с внутренней и наружной сторон. По мере вращения пода на полный оборот заготовка нагревается до необходимой температуры и перемещается к боковому окну выдачи. Продолжительность нагрева определяется скоростью движения пода и длиной окружности печи.
Прогрессивным способом нагрева является индукционный нагрев. Металл, перемещаясь при помощи толкателя через индуктор, нагревается за счет возникающих в нем вихревых токов (токи Фуко), создаваемых магнитным полем индуктора.
Индукционный нагрев происходит быстро, экономично, с точной выдержкой заданной температуры.
Электроконтактный способ нагрева обеспечивает равномерное распределение температуры по поперечному сечению и высокую скорость нагрева. Металл при этом способе нагрева нагревается в 30-50 раз быстрее, чем при топливном нагреве. После нагрева практически не образуются окалина иобезуглероженный слой.
Дефекты нагрева
При нагреве металла в пламенных печах происходят процессы, которые оказывают влияние на дальнейшую обработку и качество металла. Состав печной атмосферы является главным фактором, влияющим на качество нагрева металла. В результате нагрева поверхность металла окисляется и обезуглероживается.
При окислении металла на поверхности заготовки образуется окалина, которая ухудшает качество поверхности и уменьшает линейные размеры заготовки. Поэтому размеры заготовок, подвергаемых нагреву, должны иметь припуск, учитывающий потери металла на угар (окалина).
При нагреве под обработку давлением припуски составляют 2—5%, при термической обработке 0,5—2%, а в общем цикле горячей обработки достигают.7—8%. Из приведенных цифр видно, что потери металла на угар составляют значительную величину.
При температурах 1150—1350°С вместе с процессом окисления металла происходит процесс его интенсивного обезуглероживания, т. е. снижения содержания углерода на поверхности заготовки. Обезуглероживание изменяет механические свойства поверхности нагреваемого металла. С повышением содержания углерода в стали обезуглероживание увеличивается. Инструментальная сталь при обезуглероживании становится мягкой, а инструмент из такой стали — нестойким.
Перегрев приводит к образованию большой величины зерна стали и является исправимым браком, который устраняют повторной термообработкой. Пластические свойства стали в результате перегрева ухудшаются и при деформировании в ней могут возникать трещины.
Если перегретый металл продолжать нагревать в печи длительное время при высоких температурах, то произойдет пережог — окисление границ зерен. Пережог является неисправимым браком. Пережженный металл идет на переплавку.
Для предупреждения указанных дефектов при нагреве металла необходимо соблюдать следующие условия: сжигать топливо с минимально возможным количеством воздуха, что приводит к уменьшению количества свободного кислорода в составе печных газов; размещать в печи заготовки так, чтобы они омывались печными газами, а факелы пламени горелок или форсунок не были направлены на заготовки.
Интервалгорячей пластической деформации 1180 - 850 С. Пригорячей пластической деформации температура начала прокатки, ковки и других операций должна обеспечивать возможно более полное превращение аустенита в б-феррит во избежание образования трещин или рванин. Присутствие аустенита в стали в момент пластической деформации способствует возникновению дефектов вследствие различия фазовых составляющих по физическим свойствам, а также прочности и пластичности. По данным А. А. Бабакова [70], необходимо, чтобы в начале горячей пластической деформации сталь содержала не более 8 - 10 %, а в конце ее 25 - 30 % аустенита. Особенно важно соблюдать эти условия при горячей прокатке на непрерывных станах и горячей прошивке труб
4. Типы прокатных клетей, применяющиеся в составе толстолистовых станов, их характеристика.
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Читайте также: