режимы нагрева

Режимы нагрева.
Под режимом нагрева подразумевают обычно закон изменения температуры поверхности и наиболее «холодной» точки нагреваемого тела, а также среды во времени. В случае симметричного подвода тепла к поверхности тела такой наиболее «холодной» точкой является центр тела, а при одностороннем нагреве - точка, наиболее удаленная от тепловоспринимающей поверхности.
Рациональный режим нагрева металла должен обеспечить удовлетворение ряда требований, некоторые из которых входят в противоречие друг с другом. Прежде всего, необходимо обеспечить решение технологической задачи, т.е. нагреть слиток или заготовку до заданной конечной температуры и довести разность температур по сечению до регламентированной величины. Стремление осуществить эту операцию по возможности быстрее сопряжено с повышением скорости нагрева, что влечет за собой увеличение перепада температур по сечению на начальной стадии нагрева, когда существует опасность возникновения трещин в металле вследствие термических напряжений. Длительная выдержка металла при высокой температуре его поверхности, требующаяся для достижения заданной конечной равномерности нагрева, приводит к усиленному окислению поверхности.
Все эти факторы должны быть учтены при выборе режима нагрева металла. Пути решения этих вопросов во многом определяются тем, насколько велика разность температур, возникающая по сечению нагреваемого тела.
Разность температур по сечению при нагреве и охлаждении тел стремится к нулю при условии Bi 0. Такие тела называют термически тонкими в отличие от массивных, в которых возникает существенная разность температур по сечению. Г. П. Иванцов установил, что практически пренебрежимая разность температур по сечению имеет место при условии Bi < 0,25. Эта оценка справедлива для условий осуществляемых в металлургии технологических процессов, включающих нагрев и охлаждение металла. При значениях Bi > 0,5 возникающей разностью температур пренебрегать нельзя, и такие тела следует рассматривать как массивные, т.е. учитывать возникающую неравномерность температуры по сечению слитков и заготовок при выборе режима их нагрева.
Значениям 0,25 < Bi < 0,5 соответствует переходная область.
Для учета теплоотдачи излучением к поверхности металла от стен печи и от продуктов сгорания в критерий Био подставляют значение суммарного коэффициента теплоотдачи излучением и конвекцией:
а
·=ак+аизл
Выбор режима и метод расчета нагрева определяются в первую очередь степенью тепловой массивности слитков и заготовок и поэтому в дальнейшем эти две категории тел (тонкие и массивные) будут рассматриваться отдельно.
Режимы нагрева термически тонких тел:
Из приведенного выше следует, что при нагреве тонких тел возникающими в них термическими напряжениями можно пренебречь. Поэтому скорость нагрева в этом случае не ограничена никакими внутренними факторами. Следовательно, режим нагрева тонких тел следует выбирать таким образом, чтобы продолжительность нагрева до заданной температуры была как можно меньше, исходя из соображений повышения производительности печи и уменьшения количества образующейся окалины. Режим, удовлетворяющий этому требованию, характеризуется постоянной температурой греющей среды либо во времени, либо по длине рабочей камеры (в зависимости от характера работы установки периодического или непрерывного). Таким образом, имеет место одна ступень нагрева от начала до конца и поэтому такой режим называется одноступенчатым Очевидно, что чем выше температура греющей среды, тем больше плотность теплового потока к поверхности нагреваемого тела и тем меньше продолжительность нагрева. Надо, однако, помнить, что интенсификация внешнего теплообмена влечет за собой увеличение разности температур по сечению нагреваемого тела. Другими словами, критерий Био может выйти за предел области тонких тел и тогда то же самое физическое тело надо будет рассматривать как массивное.
При выборе режима нагрева металла (в том числе и термически тонкого) всегда принимают во внимание и проблемы энергосбережения. Одним из путей решения задачи экономии топлива в печах непрерывного действия является повышение степени использования энтальпии продуктов сгорания посредством организации взаимнопротивоточного движения металла и газов с устройством неотапливаемой (так называемой методической) зоны в печи.

Поэтому нагрев термически тонких тел осуществляют и по двухступенчатому режиму. Однако это не диктуется требованиями, вытекающими из закономерностей самого процесса нагрева, а обусловлено стремлением понизить температуру уходящих из печи газов за счет более полного использования их тепла в рабочем пространстве.
Для двухступенчатого режима характерно наличие участка с изменяющейся температурой греющей среды и участка с постоянной температурой. Следует, однако, иметь ввиду, что интенсивность теплоотдачи при таком режиме нагрева будет ниже и, соответственно, общее время нагрева больше.

Рисунок 1 - Одноступенчатый режим нагрева тонких тел: Т0, Тпов, Тцен, Ткон, Тн – соответственно температуры печи, поверхности, центра, конечная и начальная.





Режимы нагрева термически массивных тел:
В отличие от нагрева термически тонких тел при нагреве массивных возникают обстоятельства, при которых необходимо увеличить продолжительность пребывания слитков и заготовок в печах. К ним относятся в первую очередь неравномерность нагрева (по толщине) и связанные с ней термические напряжения, что не позволяет применять одноступенчатый режим нагрева). Возникновение термических напряжений, представляющих важность в начале нагрева (до температуры перехода из упругого состояния в пластическое), приводит к необходимости снижать скорость нагрева в этом интервале до такой величины, при которой разность температур по сечению не превышает допустимого значения. К выбору скорости нагрева на начальном участке следует отнестись особенно внимательно в случае нагрева сплавов с невысокой теплопроводностью. В слитках из таких сплавов возникает большая разность температур между поверхностью и центром, вызывающая соответственно более высокие термические напряжения.
Наличие существенной разности температур по сечению слитка или заготовки в конце нагрева, при которой они не могут быть выданы из печи, заставляет либо снижать скорость нагрева во всем температурном интервале нагрева, либо предусматривать период (или зону) выдержки металла в печи. Назначением периода выдержки является устранение чрезмерной разности температур по сечению при неизменной температуре поверхности. Следует иметь в виду, что если пониженная скорость нагрева в начальный период не приводит к заметному увеличению окисления металла то даже небольшое увеличение продолжительности его пребывания в печи при высокой температуре поверхности сопряжено с существенными дополнительными потерями металла с оксидами.
Все эти соображения вызывают необходимость выбора и расчета рационального режима нагрева в каждом конкретном случае. Режим нагрева должен обеспечивать минимальную продолжительность пребывания металла в печи при безопасной (с точки зрения термических напряжений) скорости нагрева и при допустимой (с технологической точки зрения) конечной разности температур по сечению.

Многообразие размеров и форм слитков и заготовок из самых различных сплавов с существенно разными теплофизическими характеристиками обусловливает и разнообразие применяемых на практике конкретных режимов нагрева массивных тел. Естественно, что описать все эти режимы нагрева невозможно. Поэтому все многообразие применяемых в промышленной практике режимов нагрева целесообразно свести к типовым режимам – схемам. В качестве таковых можно представить двухступенчатый и трехступенчатый режимы нагрева массивных тел с модификациями в рамках каждой схемы. Такие модели позволяют установить подход к математическому описанию и анализу реальных процессов нагрева, выяснить лимитирующие факторы процесса и определить порядок расчета нагрева металла в печах.
Двухступенчатый режим нагрева состоит из двух последовательных периодов. Условия теплообмена металла со средой в каждом из этих периодов определяются как допустимыми скоростями нагрева, так и реальными возможностями подвода тепла к нагреваемой поверхности в печах разных конструкций. В соответствии с этим первый период нагрева может осуществляться либо замедленно, либо ускоренно.
Так, если термические напряжения представляют опасность для слитка или заготовки (в случае, например, большой толщины нагреваемого тела, нагрева легированной стали с низкой теплопроводностью и т.д.), то первый период нагрева следует осуществлять замедленно. Замедленный нагрев получается, если нагреваемую заготовку поместить в печную камеру с пониженной температурой и затем постепенно повышать температуру по мере прогрева металла. Такого рода условия имеют место при холодном посаде слитков в нагревательные колодцы. Замедленный нагрев в первом периоде обусловлен иногда и условиями тепловой работы самой печи и может быть проведен (так же как и в случае двухступенчатого нагрева тонких тел), даже если по условиям термических напряжений он и не требуется.

Примером может служить любая методическая печь, где в методической зоне, играющей роль теплоутилизирующего устройства, происходит замедленный нагрев при постепенно возрастающей температуре греющей среды. Условия теплообмена среды с металлом при этом практически близки к нагреву с постоянной плотностью теплового потока.
Второй период нагрева в этом случае осуществляют при постоянной температуре греющей среды. Температура поверхности в течение второго периода достигает заданной величины, а разность температур по сечению успевает сократиться к моменту завершения второго периода и не превышает допустимого значения, обусловленного требованиями технологии обработки металла.
В том случае, когда термические напряжения, возникающие при нагреве, не представляют опасности (и если позволяет конструкция печи), период нагрева можно интенсифицировать путем загрузки холодных заготовок в среду с постоянно повышенной температурой Уровень температуры среды и определяемые им тепловые потоки к металлу в этом случае следует выбирать таким образом, чтобы разность температур в нагреваемом металле не превышала предельно допустимого значения.
Опасность перегрева тепловоспринимающих поверхностей (а также ребер) заготовок заставляет снижать температуру среды во втором периоде и осуществлять выдержку при постоянной температуре поверхности металла. Расчеты и опыты показывают, что вариант двухступенчатого режима с форсированным нагревом в первом периоде дает существенное сокращение продолжительности нагрева, приводящее к повышению производительности печей и уменьшению потерь металла вследствие его окисления, но неизбежно сопровождается более высоким удельным расходом топлива и снижением коэффициента полезного теплоиспользования в печи.
Трехступенчатый режим нагрева позволяет более эффективно нагревать массивные тела, для которых термические напряжения представляют значительную опасность. В первую очередь это относится к слиткам холодного посада и литым слябам и заготовкам, получаемым на машинах непрерывного литья и отличающимся высоким уровнем остаточных напряжений, причем особое внимание следует уделять сплавам с низкой теплопроводностью.








15

Приложенные файлы

  • doc 23616301
    Размер файла: 75 kB Загрузок: 2

Добавить комментарий