Понятие тонкого и массивного тела

С теплотехнической точки зрения все тела, подвергаемые нагреву, подразделяются на тонкие и массивные. В тонких телах () перепадом температур между центром и поверхностью изделия можно пренебречь и считать распределение температуры по сечению изделия равномерным. В массивных телах () перепад температур составляет заметную величину и пренебрегать им нельзя. Поскольку методы расчета нагрева тонких и массивных тел различны, то первостепенное значение имеет определение принадлежности изделия к классу тонких или массивных тел, т.е. определение критерия Био . В уравнение для определения критерия Био входит величина S –толщина изделия, в пределах которой наблюдается наибольшая разность температур. Таким образом, величина S является расчетной прогреваемой толщиной. Отношение величины S к геометрической толщине называется коэффициентом несимметричности нагрева:

.

Для одностороннего нагрева и S . Для двухстороннего симметричного нагрева изделия 0, 5 и S . Таким образом, для различных расположений изделий в печах величина может изменяться в пределах 0, 5–1, 0.

Решение дифференциального уравнения теплопроводности при граничных условиях 3–го рода выполнено для двух форм тел: пластины бесконечных размеров и цилиндра бесконечной длины. Эти формы тел названы классическими. Пользуясь понятием о коэффициенте несимметричности нагрева , можно привести к классическим формам реальные формы расположения изделий в печах и определить S в зависимости от их реальной геометрической толщины .

При нагреве тонких тел возникающими в них термическими напряжениями можно пренебречь. Поэтому скорость нагрева в этом случае неограничена никакими внутренними факторами. Режим нагрева тонких тел надо выбирать таким образом, чтобы время нагрева до заданной температуры было как можно меньше, исходя из соображений повышения производительности печи и уменьшения количества образующейся окалины. Режим, удовлетворяющий этому требованию, характеризуюется 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 именуется одноступенчатым (см. рис.1.9).

Очевидно, что чем выше температура греющей среды, тем больше величина коэффициента теплоотдачи к поверхности нагреваемого тела и тем меньше время нагрева. Но повышение коэффициента приведет к увеличению критерия Bi, который может выйти за рамки области тонких тел и тогда то же самое тело надо будет рассматривать как массивное. Рациональным современным типом печи для нагрева тонких тел является механизированная проходная печь.

При нагреве массивных тел возникают обстоятельства, заставляющие увеличивать продолжительность пребывания слитков и заготовок в печах. К этим факторам относится неравномерность нагрева по толщине и связанные с ней температурные напряжения, что не позволяет применять одноступенчатый режим нагрева.

Возникновение температурных напряжений, представляющих опасность вначале нагрева (до температуры порядка 500^оС), заставляет снижать скорость нагрева в этом интервале до такой величины, при которой разность температур по сечению не превышает допустимого значения. 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 специальный период (или зону) выдержки металла в печи. Назначением периода выдержки является устранение чрезмерной разности температур по сечению изделия при неизменной температуре поверхности.

Рис.1.9. Распределение температур в тонком и массивном телах:

а) при одноступенчатом графике; б) при двухступенчатом графике;

в) при трехступенчатом графике:

1- первая ступень; 2 – вторая ступень; 3 – третья ступень

При этом нужно иметь в виду, что если пониженная скорость нагрева в начальный период (до 500^оС) не приводит к заметному увеличению окалинообразования, то даже небольшое увеличение времени пребывания стали в печи при высокой температуре ее поверхности всегда сопряжено с существенным дополнительным угаром металла. Это вызывает необходимость выбора и расчета оптимального режима нагрева в каждом конкретном случае. Режим нагрева должен обеспечивать минимальное время пребывания металла в печи при безопасной (с сточки зрения температурных напряжений) скорости нагрева и при допустимой (с технологической точки зрения) конечной разности температур по сечению.

В результате возникает необходимость свести все многообразие фактических режимов нагрева к основным принципиальным схемам, в качестве которых представляются 2–х и 3–х ступенчатые режимы нагрева массивных тел с модификациями в пределах каждой схемы.

2–х ступенчатый режим (рис.1.9, б) нагрева характеризуется медленным или замедленным нагревом изделий в области до наступления пластичности. Температура печи медленно повышается от минимальной. После достижения пластичности изделие нагревают при максимальной постоянной температуре печи, но так, чтобы к концу нагрева оно достаточно прогрелось. Разность температур по толщине изделия к концу нагрева должна быть в пределах допусков. Температурный напор ( ) является ограниченным и определяется конечной массивностью изделия. По такому режиму работают методические прокатные печи с нагревом заготовок при S 0, 1 м, кузнечные камерные или полуметодические печи для нагрева средних и крупных заготовок, нагревательные колодцы для слитков при холодном посаде и т.д.

Для нагрева изделий при S> 0, 1 м двухступенчатый график является уже невыгодным. Для обеспечения допускаемой разности температур по толщине изделия нагрев приходиться вести при небольшом конечном температурном напоре. Это затягивает время нагрева во второй ступени и, следовательно, удлиняет общую продолжительность нагрева. В этом случае выгоднее вести нагрев стали в пластичном состоянии при повышенной температуре печи. В изделиях при заданной температуре нагрева поверхности будет получаться разность температур , недопустимая для дальнейшей обработки. Ликвидировать ее можно введением 3–й ступени (см.рис. 1.9, в): ступени выравнивания температур по толщине изделия без перегрева поверхности, т.е. при . Поскольку нагрев во второй ступени интенсифицируется, то общее время нагрева сокращается. Первая ступень нагрева (зона нагрева непластического металла–зона температурных напряжений) остается такой же, как и при двухступенчатом графике. Вторая ступень характеризуется повышенным температурным напором ( )=100–150 и даже 200 ^оС. Третья зона изолирована от области высоких температур и в ней температура поддерживается близкой к . Трехступенчатый график позволяет осуществлять скоростной нагрев массивных тел. По такому графику работают современные 3–х, 4–х, 5–и зонные методические печи, а также печи с выдвижным подом для нагрева очень крупных заготовок для ковки.