Нагрев листа металла, теоретическая часть

Тела, подвергаемые термообработке, делят на термически массивные и термически тонкие тела. К той или иной группе тело относят в зависимости от критерия Био (Bi).
Термически массивное тело – тело, в котором при термообработке, появляется значительная неравномерность температур поперечном сечении (Bi0,25).
Термически тонкими телами принято считать такие тела, у которых разница температур по сечению при стремлении критерия Био к 0 незначительна. Для металлургических производств на основе научных работ Г.П. Иванцова принято, что разницей температур по сечению можно пренебречь при Bi≤0,25.
Критерий Био характеризует соотношение между перепадом температуры в двух точках тела, находящихся на характерном расстоянии L друг от друга, и температурным напором (температура поверхности тела − температура окружающей среды). По своему физическому смыслу критерий Био является отношением термосопротивления материала (стенки) к термосопротивлению теплоотдачи с поверхности тела (стенки).
Критерий Био рассчитывается по формуле 1:
,(1)
где α – коэффициент теплоотдачи;
l – линейный характерный размер;
λ – коэффициент теплопроводности.
Критерий Био определяет характер распределения температуры в объеме нагреваемого (или охлаждаемого) тела. Чем выше его значение, тем выше величина внешнего теплообмена по сравнению с значением внутреннего теплообмена. Более высокое значение Bi соответствует меньшей равномерность распределения температуры в объеме тела. И, наоборот, чем меньше значение Bi, тем равномернее поле температуры в объеме тела на протяжении всего периода нагрева ( охлаждения),.
Рассмотрим влияние критерия Био на процесс нагрева или охлаждения тела на примере плоской пластины (в данном случае критерий Bi→0). Примаем, что пластина нагревается (охлаждается) за счет теплообмена с окружающей средой (конвективнй теплообмен). Температура среды одинакова во всех точках контакта с обрабатываемой поверхностью. В начальный момент времени темпеартура пластины одинаковая по всему поперечном сечению. Нагрев (охлаждение) пластины идет таким образом, что темпеартура в любой точке пластины растет (снижается), стремясь придти к тепловому равновесию с окружающей средой. Такие условия пластины называются граничными условиями третьего рода.
Характеристическое уравнение имеет вид [1]:
(2)
Данное уравнение имеет два способа решения: графический и численный. В случае плоской пластины угловой коэффициент (1/Bi)→∞. В данном случае корни характеристического уравнения, т. е. характеристические числа, могут принимать следующие значения: 0, π; 2π; Зπ; ... (n-l)π; и т.д.
Безразмерная избыточная температура находится по формуле 3:
(3)
где Fo – критерий Фурье.
Распределение температур для граничныхусловий третьегорода в плоской стенке показаны на рисунке 1.
Рисунок 1– Распределение температуры в плоской стенке для термически тонкого и термически массивного тел
Таким образом, для случая Bi→0 имеет место равномерное распределение температуры при нагреве или охлаждении, а безразмерная избыточная температура θ в каждой точке тела растет или снижается по экспоненциальному закону.
Для термически тонкого тела любой формы уравнение безразмерной избыточной температуры имеет вид:
(4)
где K – коэффициент формы, который учитывает форму тела. Для наиболее распространенных форм данный коэффициент равен:
K=1 – коэффициент формы для пластины;
К=2 – коэффициент формы для бесконечно длинного цилиндра;
К=3 – коэффициент формы для шара.
Режим нагрева тонких тел имеет свои особенности.
При нагреве металла имеются ограничения по скорости нагрева. Эти ограничения накладываются из-за образования в материале напряжений из-за наличия температурного градиента. Ограничения на скорость нагрева накладываются в случаях, когда температура метелла лежит в диапазоне от 0 °С до 550 °С. При превышении 550 °С напряжения исчезают из-за пластической деформации. Для мягких сталей ограничения по нагреву отсутствуют во всем температурном диапазоне. Также ограничения по скорости нагрева не накладываются если заготовка имеет такие размеры сечения, при которых возникающие напряжения не опасны.
Допускаемую скорость охлаждения для пластины можно определить по формуле 5 [2]:
(5)
где a – коэффициент температуропроводности;
– допускаемое напряжение;
– коэффициент линейного расширения;
Е – модуль упругости;
S – толщина пластины.
Допускаемая разница темпеартур в теле рассчитывается по формуле 6:
(6)
Из формулы видно, что допускаемая разница температур не зависит от формы тела и температуропроводности.
Также допустимую скорость нагрева можно определитьс помощтю номограмм На рисунке 2 показана номограмма для определения допустимой скорости нагрева пластины.
Рисунок 2 – Номограмма для определения допускаемой скорости нагрева пластины
Аналогичные номограммы существуют для тел других форм.
При нагрева термически тонких тел в них возникают термические напряжения, однако их величина небольшая, и данными термическими напряжениями можно пренебречь. Данное допущение приводит к тому, что снимаются ограничения по скорости нагрева (охлаждения) термически тонких тел и этот процесс можно организовывать таким образом, чтобы он занимал минимальное количество времени. Уменьшение времени нагрева (охлаждения) тела позволит повысить производительность и уменьшить образование окалины.
Возможно два способа нагрева тела – одноступенчатый и двухступенчатый. Одноступенчатый нагрев подразумевает нагрев тела в одной области, при этом наблюдаются высокие значения тепловых потоков и сокращение времени нагрева. Однако увеличение интенсивности теплообмена ведет к увеличению разности температур по сечению тела, что может привести к выходу процесса за пределы «термически тонких тел» и перейти в разряд массивных тел.
При двухступенчатом способе используется два обогревательных участка – участок с изменяющейся температурой греющей среды и участок с постоянной температурой греющей среды. Использование двух участков приводит к снижению интенсивности теплообменных процессов и, как следствие, увеличению времени протекания процесса. Данный способ обеспечивает более полное использование тепла уходящих газов, что является одним из определяющих факторов при выборе способа обогрева.
Важное значение при термообработке играет температура обработки, т.к. от нее зависит образование окалины. В случае обработки листового металла это становится особенно актуальным из-за большой площади заготовки.
Один из способов снижения количества окалины – обработка металла при минимально допустимых температурах (800-850 °С). Достижение такой температуры осуществляется за счет неполного сгорания топлива, что помогает поддерживать восстановительную атмосферу в печи. Излишние образование окалины может приводить к снижению качества выпускаемой продукции, поскольку на поверхности металла появляется большое количество дефектов. К увеличению количества дефектов также приводит попадание мусора и посторонних предметов на поверхность обрабатываемого материала.
1.2 Особенности нагрева листового металла в протяжных и садочных печах
1.2.1 Режимы термической обработки
Для термической обработки применяют колпаковые садочные печи и протяжные печи постоянного действия. Отличие печей заключается в том, что в колпаковых осадочных печах металл проходит термообработку собранным в стопы или рулоны, а в протяжных обрабатывается только один слой ленты. Использование протяжных печей позволяет получить более равномерный прогрев и более высокую степень обработки.
Протяжные печи более современны и могут быть использованы при непрерывном производстве. Однако на сегодня при изготовлении холоднокатаного металла невозможно полностью отказаться от колпаковых печей.
При термической обработке холоднокатаного металла наиболее распространен низко температурный рекристаллизационный отжиг. Данный способ может быть использован как в колпаковых, так и в протяжных печах. На рисунке 3 показаны графики охлаждения лент в печах из которых видно, что в протяжных печах скорость охлаждения гораздо выше. Это позволяет получить металл с более высокими характеристиками (твердость, предел текучести).

Рисунок 3 – Режимы рекристализационного отжиrа холоднонокатаноrо металла в колпаковых и протяжных печах
Использование протяжных печей получает получить металл с более однородной структурой. У металла, прошедшего термическую обработку в колпаковых печах зачастую наблюдается неоднородность структуры и различие свойств по объему.
Технология термической обработки в протяжных печах подразумевает строе соблюдение ряда параметров:
– скорость нагрева лежит в диапазоне 25-100 °С/с;
– необходимо выдержать обрабатываемый материал при температуре рекристаллизации не менее 25 с.;
– скорость охлаждения ленты должна обеспечивать полное выпадение углерода из твердого раствора феррита;
– Охлаждение регулируется до тех пор, пока температура металла не достигнет 480-500 °С, после чего скорость охлаждения уже не играет существенной роли;
– Защитная атмосфера подается на обрабатываемый материал до тех пор, пока его температура не достигнет 120 °С, при достижении 120 °С дальнейшее охлаждение можно осуществлять воздухом.
1.2.2 Конструкция печей
Колпаковые печи
В колпаковых печах возможна загрузка обрабатываемого металла в пакетах или рулонах (возможна установка рулонов друг на друга). Для ускорения процесса нагрева применяют принудительную циркуляцию защитной среды. Между рулонами создается зазор за счет использования прокладок, что позволяет защитной среде свободно циркулировать и обеспечивать более бытрый и равномерный прогрев во всех направлениях.
Колпаковые печи делятся на одностопные и многостопные. Преимуществом многостопных печей является то, что одновременно в ней обрабатывается большее количество металла. Однако это приводит к тому, что часть стоп экранируют друг друга. Это увеличивает время обработки и отрицательно сказывается на эффективности и производительности печи. Применение же одностопных печей позволяет более равномерно прогревать рулоны.
Печи с муфелированием металла.
Печи с муфелированием используют для термообработки металлических листов, сложенных в стопу. При работе подобных печей греющий теплоноситель поступает к торцам листов.
Колпаковая печь для светлого отжига листа представлена на рисунке 4
Рисунок 4 – Колпаковая печь для светлого отжига
Процесс термообработки в подобных печах можно разделить на 4 стадии:
1. Закрытие внутренним муфелем.
2. Удаление воздуха из муфеля. Данная операция осуществляется путем продувки защитной атмосферой.
3. Третий этап включает в себя несколько операций. Разогрев металла и защитной атмосферы до температуры 650 °С и дальнейшее охлаждение до 120 °С. Охлаждение до 120 °С проводится в среде защитной атмосферы.
4. Охлаждение металла ниже 120 °С. Данный этап осуществляется уже не в объеме печи, а на открытом воздухе. Во время этого этапа в колпаковую печь уже можно загружать следующую партию металла, либо проводить другие работы.
На производстве обычно на один колпак приходится три стенда

. Между стендами колпак перемещается с помощью мостового крана. Вес одного колпака, в среднем, составляет около 40 тонн, а масса всей печи может достигать 80-120 тонн. Транспортировка колпака приводит к потерям тепловой энерегии, так, при перемещении колпака между стендами температура его внутренней футуровки может опускаться до 350 °С
Колпаки снабжаются горелками, с помощью которых обеспечивается торцевой подвод греющего теплоносителя к обрабатываемому материалу. Чаще всего в качестве топлива используют газообразное топливо, теплота сгорания большинства видов газообразного топлива лежит в интервале Qhp=5800-1000 кДж/м3. Дымовые газы, образующиеся при сгорании топлива, удаляются с помощью специального дымомсоса.
Производительность подобных печей составляет примерно 250-300 кг/(м2∙ч). Металл обрабатывается в виде рулонов, между которыми создается зазор за счет установки прокладок. Наличие зазоров позволяет беспрепятственно циркулировать защитной среде, что повышает скорость нагрева и равномерность прогрева. На производстве используются как одностопные, так и двух-, и трехстопные печи.
На стадии охлаждения муфеля для отвода тепла от защитной атмосферы могут быть использованы трубки, по которым циркулирует вода. Недостатком такого способа охлаждения является то, что ограничена поверхность теплообмена и лишь небольшая часть защитной среды контактирует с данной поверхностью. Таким образом, снижается эффективность охлаждения и увеличивается время на проведение данного процесса.
Для увеличения эффективности процесса охлаждения применяют специальные колпаки, которые обдувают муфель холодным воздухом. Это позволяет ускорить процесс охлаждения.
Основные недостатки колпаковых печей заключаются в следующем:
– большое время обработки, обработка одной загрузки может достигать нескольких суток;
– тяжело обеспечить равномерный прогрев металла;
– тяжело автоматизировать процесс производства, а именно загрузка и разгрузку обрабатываемого материала;
– требуются большие площади для организации производства.
1.2.3 Протяжные печи для термической и термохимической обработки тонкой стальной ленты и жести
Недостатков, характерных для колпаковых печей, лишены протяжные печи.
Отличие протяжных печей от колпаковых в том, что в протяжной печи обрабатываемый лист металла движется по срециальным роликам, а не покоится на месте. Обычно камеры состоят из трех секций: входной, печной и выходной.
По конструктивному исполнению протяжные печи бываютдвух видов:
– вертикальные (башенные);
– горизонтальные;
Общий вид вертикальной протяжной печи показан на рисунке 5.
Рисунок 5 – Вертикальная (башенная) протяжная печь
Вертикальные печи занимают меньшую площадь, имеют большую длину ленты (до 1 км). Скорость перемещения листов металла может достигать 10 м/с. К существенным недостаткам вертикальных протяжных печей можно отнести то, что в них можно обрабатывать листы металла толщиной до 1 мм. Это ограничение обусловлено наличием большого количества перегибов. Возможная схема движения ленты в вертикальной протяжной печи показана на рисунке 6.
Рисунок 6 – Возможная схема движения в вертикальной протяжной печи
Горизонтальная протяжная печь показана на рисунке 7.
Рисунок 7 – Горизонтальная протяжная печь
В горизонтальных протяжных печах не используются ленты длиной более 200 метров. Это обусловлено сложностью центрирования ленты при движении через печь. Скорость движения ленты не превышает 2 м/с. Однако в горизонтальных протяжных печах можно обрабатывать листы металла толщиной до 6 мм.
Применение протяжных печей позволяет получить равномерный прогрев обрабатываемого материала, как по ширине, так и по длине ленты. Применение подобных печей также позволяет сократить время, затраченное на нагрев металла в десятки раз. Протяжные печи позволяют проводить следующие виды термообработки:
– светлый рекристаллизационный отжиг. В данном случае на всех этапах материал обрабатывается в контролируемой атмосфере.
– обезуглероживающий отжиг трансформаторных и динамических сталей;
– непрерывное цинкование малоуглеродистой стали.
В данном случае используют камеры окислительного нагрева (работают за счет продуктовсгорания) и камеры восстановительного нагрева (используют контролируемую атмосферу).
От вида обработки металла зависит количество и функции камер печи. В протяжных печах существуют следующие виды камер:
– камеры нагрева. Могут отапливаться газовыми горелками, при необходимости работы в защитной среде используются электрические нагреватели или газовые радиантные трубы;
– камеры выдержки. Могут отапливаться газовыми горелками, при необходимости работы в защитной среде используются электрические нагреватели или газовые радиантные трубы;
– камеры регулируемого охлаждения. Необходимая скорость охлаждения материала достигается за счет чередования футерованных и водоохлаждаемых секций стен или чередованием электрических нагревателей и воздухоохлаждаемых труб
– камеры окончательного охлаждения. В данных камерах для охлаждения применяют специальный холодный контролируемый газ. Газ подается равномерным потоком на всю поверхность ленты.
К недостаткам протяжных печей можно отнести трудность изменения параметров их работы. Для изменения режима нагрева требуется внесение изменения в конструкцию печи.
1.3 Особенности нагрева листового металла в индукционных печах
Индукционные печи используют в своей работе индукционный нагрев, который заключается в повышении температуры материала за счет электрического тока высокой частоты. Воздействие на материал осуществляется за счет переменного электромагнитного поля. Индукционный нагрев можно применять для обработки только токопроводящих материалов.
Индукционный нагрев имеет следующие преимущества [3,4]:
– быстрое включение, отсутствие затрат времени для предварительного пускового режима;
– меньшие температурные перепады в обрабатываемом материале;
– высокая скорость нагрева;
– малое окисление поверхности материала;
– повышение КПД, за счет сокращения тепловых потерь;
– возможность применения любой рабочей среды (в сравнении с топливными печами).
Индукционные печи можно разделить на следующие типы:
– канальные печи;
– тигельные печи;
– ваакумные печи;
– установки для плавки во взвешенном состоянии;
– нагревательные установки.
Канальные печи, тигельные печи, ваакумные печи, установки для плавки во взвешенном состоянии используются для плавления металла, а для термической обработки, в том числе листового металла, используют нагревательные установки.
Для нагрева материала используют соленноидные многовитковые проходные индукторы. Индукторы могут иметь различное сечение. Схемы индукционных установок с различными сечениями представлены на рисунке 8. Для нагрева пластин и листового металла чаще всего используют овальные и щелевые.
а – круглое сечение, б – квадратное сечение, в – овальное сечение, г – щелевое сечение
Рисунок 8 – Схемы индукционных нагревательных установок с различными сечениями
Индукционный нагрев возможно осуществить двумя режимами:
1. При постоянной мощности. Плотность потока энергии при этом составляет порядка 0,5–2 МВт/м2.
2. При постоянной температуре поверхности.
Необходимо отметить, что равномерность прогрева и распределения температуры по объему материала зависит в основном от двух параметров – характеристик электромагнитного поля и электрофизических свойств самого материала. Преимуществом индукционного нагрева является и тот факт, что в случае поверхностной закалки возможно обеспечить необходимую глубину закаливаемого слоя.
В среднем КПД индукционных нагревательных установок лежит в диапазоне 0,4–0,6.
На рисунке 9 показан нагревательный элемент индукционной печи для нагрева стальных полос толщиной до 30 мм [5].
1 – обрабатываемый материал (лист стали); 2 – катушка; 3 – индуктор; 4 – концентраторы магнитного потока; 5 – валки
Рисунок 9 – Нагревательный элемент индукционной печи для нагрева стальных полос
Принцип работы нагревательного элемента следующий. Заготовка 1 (лист металла) за счет вращения валков 5 подается в пространство катушки 2. В пространстве катушки на металл действует электромагнитное поле, что приводит к повышению температуры заготовки. Катушка 2 установлена в индукторе, который, в свою очередь, окружен жаропрочным материалом.
1.4 Особенности струйного нагрева листового металла
1.4.1 Особенности струйного нагрева листового металла
Печи струйного нагрева используют для нагрева металла высокотемпературные продукты сгорания топлива. При их работе металл греется струями газов из специальных скоростных горелок. Скорость греющего газа составляет 160-200 м/с, температура газа может достигать 1900 °С. За счет высоких скоростей и применения теплоносителя с высокой температурой удалось получить скорость нагрева метала в несколько раз выше, чем скорость нагрева металла в пламенных печах. Скорость нагрева в печах данного вида приближается к скорости нагрева в индукционных печах. При этом необходимо отметить, что капитальные вложения при сооружении и стоимость эксплуатации печей струйного нагрева ниже, чем индукционных печей.
Известно, что при высоких температурах (свыше 1000 °С) большая часть тепловой энергии передается излучением, а на конвективный теплообмен приходится лишь 5-15% передаваемой тепловой энергии. Поэтому одно тз направлений повышения эффективности печей струйного нагрева – увеличение степени черноты поверхностей и оптимизация геометрии области, где протекают теплообменные процессы. На сегодняшний день по данному направлению модернизации печей сделано много работ и считается, что возможности повышения эффективности печей за счет теплообмена излучением практически исчерпаны. Это обусловлено тем, что степень черноты поверхностей близка к единице, а увеличение температуры газов нецелесообразно из-за того, что при этом снижается ресурс огнеупорных материалов.
Интенсификация конвективного теплообмена возможна за счет увеличения скорости движения греющего теплоносителя или организации движения газов с рециркуляцией. Увеличение скорости свыше 100 м/с за счет применения специальных скоростных горелок позволило повысить тепловой поток. Повышение теплового потока происходит за счет разрушения пограничного слоя, который создает дополнительное термическое сопротивление. Рост скорости нагрева при этом благоприятно сказывается на качестве нагрева, а именно снижает окалинообразование и обезуглероживание поверхности по сравнению с традиционным нагревом.
При повышении значимости конвективного теплообмена возникает проблема неравномерного нагрева материала. Наибольшие тепловые потоки будут в местах контакта струи газа с металлом. Решение этой проблемы может заключаться в увеличении количества струй и их рациональным расположением.
Существует две схемы взаимодействия струй греющего теплоносителя с поверхностью металла.
1. Струи направляются непосредственно на поверхность материала (струйный нагрев). При струйном нагреве греющий теплоноситель с высокой скоростью направляется на металл под прямым углом. Разделяют струйный и струйно-факельный режимы нагрева