波塞冬的信徒 发表于 2025-5-20 23:06:34

金属加热工艺

以钢为例,进炉子里烧,需要解决四个问题,(1)加热温度,(2)加热制度,(3)加热速度,(4)加热时间。


(1)加热温度
主要是指钢料出炉表面温度tb,炉温tl,入炉允许炉温,及出炉截面允许温差Δt。

钢料出炉表面温度tb,根据下游工艺要求不同,锻轧等热加工,需要满足塑性,塑性不够,设备干不动,或者磨损过大,还不能导致晶界熔化氧化产生过烧,不能导致晶粒粗大产生过热,不能导致表面氧化皮熔化产生粘钢,都是常见的加热缺陷。

都知道面心奥氏体塑性好,热加工以及完全退火/正火/淬火等热处理,tb温度下限就是要求保证完成相变,AC3/或者ACcm以上30~50℃,tb温度上限就是固相线以下100~150℃,当然合金钢比碳钢区间窄。

至于固溶,扩散退火,球化退火,等温退火,去应力退火,高/中/低温回火啥的,那温度需要另行确定。

炉温tl,根据不同炉子,钢料表面温度tb确定了,tl-tb有参考范围,烧的快,就大,烧的慢,就小。
热处理,tl-tb=20~50℃;一般加热炉,50~100℃,快速加热炉,100~150℃。

入炉允许炉温,需要先确定入炉时截面许用温差[Δt]。首先满足热涨应力条件,热膨胀系数β,热涨应变ε=[Δt]*β,热涨应力=ε*E≤[σ];然后就是热平衡,传热路径,炉气——钢料表面——钢料中心(初始温度t0)。
钢料表面至钢料中心,温差[Δt],热传导热阻,R=δ/λ,热流率q=[Δt]/R;炉气至钢料表面,初算时综合传热系数αΣ有估算式,热流率q=αΣ*{ -(t0+[Δt]) },热平衡解出。

出炉截面允许温差Δt,就是温度均匀性。
炉温>钢表面温度,热辐射+炉气对流,综合传热系数αΣ不为零,持续向钢加热,这个截面温差始终存在。

热加工,毕渥数Bi≤0.1,薄材,Δt=20~30℃;毕渥数Bi>0.1,厚材,Δt=50~150℃;
热处理,Δt=10~15℃。

毕渥数Bi=αΣ*δ/λ,实际上[δ/λ]/,就是钢内热传导热阻,与外部辐射+对流热阻之比。
Bi≤0.1,内部热阻小了,就容易烧透,温差可以小;Bi>0.1,热阻大,当然不好烧透,温差就大,那就别太勉强。

(2)加热制度
一段,就是直接加热;二段,就是加热完,均热;三段,预热,加热,均热;四段,预热,加热一,加热二,均热,还有更多段。

一段,温差小,应力小,薄材;
二段,低温热装的低碳钢或者热装合金钢;
三段以上,带预热,适应各种高碳钢,高合金钢。
真要仔细计算,就是在应力许可条件下,核算总的加热时间,然后进行比较。

(3)加热速度
就是速度爬升斜率。
爬升段,对于单位截面钢料,热流率q=c*m*=c*ρ*1*δ**,钢表面至钢中心热流率q*R=q*δ/λ=Δt,热涨应变ε=Δt*β,热涨应力=ε*E≤[σ]
就是c*ρ*1*δ**δ/λ*β*E≤[σ],自然能解出≤[σ]/[β*E*δ^2]*[λ/(ρ*c)]=[σ]/[β*E*δ^2]*α。

式中,c表示比热,m表示质量,δ表示厚度,τ表示时间,R表示热阻,λ表示热导率或者导热系数,β表示热膨胀系数,α=[λ/(ρ*c)],代表热扩散系数或者导温系数。

大钢锭加热曲线,预热——缓慢升温——均热——快速升温——均热保温。500℃之前,不能升太快,限制,500℃之后可以提速,但截面许用温差[Δt]限制,所以均温后提速加热,节省时间。

(4)加热时间
完全的非稳态的热传导,工艺计算中最麻烦的部分。
按一维考虑,非稳态偏微分方程;平板是直角坐标,圆柱是柱坐标。
ət/əτ=α*[ə^2t]/[əx^2]
ət/əτ=α*{ 1/r* ət/ər+[ə^2t]/[ər^2] }

第一类边界条件,初始条件已知,表面温度规律已知,就是预热,均温,盐浴,淬火,直线升温(默认钢表面温度跟随炉气温度变化),就是差分或者查图表。
不是直线怎么办?切片,逐段计算,最后汇总求和。

第二类边界条件,热流量q变化规律已知,这种很少用到。

第三类边界条件,传热系数已知,周围介质温度变化规律已知,主要是炉膛加热。
炉膛加热,默认对流全部给了热损失,只有辐射给了钢料,所以传热系数就是辐射传热系数,烟气黑度,角系数,辐射系数计算就是了。
时间计算,也是差分或者查图表。

对于一维,数值计算,空间差分,时间差分,设定步长,代入初值条件,根据边界条件不断迭代,步骤明确后,制表计算。

这些东西不会,热处理时,遇到风一吹就裂,或者一淬火就裂,脑门就嗡嗡的。

2266998 发表于 2025-5-20 23:15:06

挺好的,我玩这些,聊过大把案例,你几乎跟上节奏了,应付普通合金钢已经够了!

迷茫的维修 发表于 2025-5-21 09:30:02

为什么我都不知道
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