Теплообмен при обработке металлов давлением

Анализ температурного поля и напряженного состояния деформируемого металла и деталей оборудования для обработки металлов давлением представляет собой в каждом конкретном случае самостоятельную сложную задачу, для решения которой необходимо применять методы теории теплообмена и механики сплошных сред.

Тепловая энергия переносится между двумя любыми частицами веществами или взаимодействующими физическими областями, имеющими разные температуры. Такой вид перераспределения энергии в пространстве называется теплообменом или теплопередачей. Механизм или способ теплообмена зависит от свойств рассматриваемых частиц или физических систем и особенно от свойств находящегося между ними вещества. Существует три способа передачи тепловой энергии, а именно: теплопроводность, излучение и конвекция.

Явления теплообмена, сопутствующие процессу обработки металлов давлением, чрезвычайно сложны. Поэтому при исследовании температурного поля деформируемого металла и инструмента обычно принимают ряд упрощающих допущений, что позволяет использовать при анализе процесса теплопроводности феноменологический метод.

Схематически весь комплекс явлений теплопереноса при обработке металлов давлением можно представить следующим образом (на примере прокатки металлов). Извлеченная из нагревательной печи заготовка по мере перемещения к валкам охлаждается за счет лучистого и конвективного теплообмена с окружающей средой, а так же за счет контактного теплообмена с рольгангами, слитковозом и т.д.

При подаче заготовки в валки происходят следующие процессы. С одной стороны, происходит охлаждение раската в результате теплопередачи в валки через прослойку окалины. С другой стороны, происходит нагревание раската за счет диссипации механической энергии пластического формоизменения, а так же за счет работы против внешних сил трения. Выйдя из очага деформации, металл вновь подвергается лучистому и конвективному теплообмену с окружающей средой и т.д.

В процессе обработки давлением металл в течение пауз подвергается контактному теплообмену с некоторыми элементами технологического оборудования (рольгангами, манипуляторами, линейками, проводками и т.д.). Однако ввиду малости времени контакта и невысоких значений наблюдающихся при этом тепловых потерь обычно контактной составляющей коэффициента теплоотдачи между поверхностью деформируемого металла и окружающей средой пренебрегают.

Независимо от вида обработки давлением между поверхностью металла и рабочим инструментом при деформации всегда имеется прослойка, состоящая из оксидов деформируемого металла, воздуха, водяного пара и т.д. Таким образом, имеет место контактный теплообмен в системе трех тел: деформируемый металл, прослойка, рабочий инструмент. Основным затруднением при аналитическом исследовании температурного поля подобного трехслойного тела является сложность определения теплофизических свойств прослойки. Дело в том, что состав и толщина прослойки зависят не только от вида обработки давлением, но и от целого ряда других факторов, таких как величина теплового сопротивления прослойки, а так же значение коэффициента теплоотдачи между поверхностью деформируемого металла и рабочим инструментом (валками, штампом, оправкой и т.д.).

Для случая прокатки значение коэффициента теплоотдачи между металлом и валками может быть определено теоретически, или эксперементально.

Для осуществления процесса обработки металлов давлением необходимо затратить определенное количество энергии. Часть этой энергии превращается в тепло, а часть остается в деформированном металле в виде связанной потенциальной энергии. Отношение количества энергии превратившейся в тепло, к общему количеству энергии, затрачиваемой на процесс деформирования, называют коэффициентом выхода тепла.

Для стали коэффициент выхода тепла по данным различных авторов составляет 0,84-0,94 и в отдельных случаях может быть равен единице.

С помощью величины теплового эффекта можно рассчитать только повышение средней температуры раската. В то же время известно, что в большинстве случаев прокатки пластические деформации по сечению раската распределены неравномерно. Следовательно общая энергия деформации так же распределяется по сечению неравномерно. Неравномерным будет так же и распределение тепловыделения от энергии пластического формоизменения.

Нагрев раската за счет энергии пластического формоизменения можно представить как результат действия объемно-распределенного теплового источника. Определение функции распределения мощности теплового источника по сечению деформируемого тела может быть затруднительно, так как для нахождения интенсивности сдвиговых деформаций требуется решать самостоятельную, весьма сложную задачу механики сплошных сред.

Пластическое формоизменение, происходящее в процессе обработки давлением, сопровождается конвективным переносом массы металла внутри деформируемого объема. В связи с этим температурное поле металла зависит как от диффузионного переноса тепла (теплопроводности), так и от конвективного. Для учета последнего в расчетах температуры металла при деформации необходимо иметь полные данные о поле скоростей течения частиц металла. Определение поля скоростей течения частиц металла для каждого вида прокатки имеет свои особенности. В общем случае закономерности теплопереноса внутри деформируемого объема описываются дифференциальным уравнением Фурье-Кирхгофа.

Существенной особенностью температурного поля деформируемого металла является изменение во времени положения и формы его поверхности. На протяжении процесса прокатки поверхность раската отдает тепло в окружающую атмосферу (в течение паузы) и в валки (в течение обжатия).

В общем случае для решения дифференциального уравнения при краевых условиях необходимо прежде всего иметь данные о компонентах скоростей течения металла и компонентах скоростей перемещения поверхности раската. Эти компоненты должны предварительно определяться из решения уравнений прокатки, что так же в какой то мере является упрощающим допущением, так как компоненты поля деформаций металла и температурного поля взаимозависимы. Однако совместное решение дифференциальных уравнений прокатки и теплопроводности с учетом всех факторов теплообмена - задача очень сложная.