Физическая модель и выбор режима нагрева

Выбор режима нагрева тела определяется исходя из его термической “массивности”. Для нагрева термически “тонких” тел применяется одноступенчатый режим, для термически “массивных” – двух- и трехступенчатый.

На основе анализа исходных данных и предварительных расчетов можно выбрать вид режима нагрева заготовки. Прежде всего, с использованием рекомендаций, приведенных в технической литературе, необходимо выбрать конечную температуру нагрева металла. Температура нагрева под прокатку для легированных и качественных сталей приведена в приложении Б методических указаний.

Критерием, определяющим термическую “массивность” тела, является критерий Био

(3.1)

где - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К);

-толщина прогрева изделия, м;

-коэффициент теплопроводности материала изделия (см. приложение Д), Вт/(м×К).

Величина температурных напряжений, которые возникают при нагреве металлической заготовки, зависит от перепада температур по ее толщине прогрева

(3.2)

где k - коэффициент формы тела, для пластины бесконечной длины он составляет 1,05;

s_max - максимальное напряжение (предел прочности) или временное сопротивление разрыву (см. приложение В), н/м²;

b - коэффициент линейного расширения, К^-1;

Е - модуль упругости (см. приложение Г), н/м².

Суммарный коэффициент теплоотдачи к поверхности нагреваемой металлической заготовки:

(3.3)

где a_к - средний коэффициент теплоотдачи от печных газов к поверхности заготовки, Вт/(м^2. К);

- средний коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м^2. К);

Средний коэффициент теплоотдачи излучением определяется как

(3.4)

где - соответственно коэффициент теплоотдачи излучением в начале и в конце нагрева, Вт/(м^2. К), они определяются как

(3.5)

(3.6)

где e_пр - приведенная степень черноты в системе «полость печи - поверхность заготовки»;

s₀ = 5,67^. 10^-8 Вт/(м^2. К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

, - соответственно температуры поверхности заготовки в начале и конце нагрева, К;

, - соответственно температуры печи в начале нагрева и максимальная за период нагрева, К.

Температуры печи определяются в соответствии с рекомендациями

(3.7)

(3.8)

где - начальная температура печи, которую выбираем с учетом формы тела и отношения толщины заготовки среднего коэффициента теплопроводности S/l.

Dt = (50¸100), ^оС.

Рекомендуются следующие величины конечного перепада температуры по сечению:

- нагрев слитков, крупных заготовок - 50-60 ^оС;

- нагрев слябов, блюмсов, заготовок - 30-50 ^оС;

- нагрев заготовок под термообработку - 5-20 ^оС.

Среднее значение коэффициента теплопроводности определяется как

(3.9)

При ≤ 0,25 тело считается термически “тонким”, при ≥ 0,50 - термически “массивным”.

При одноступенчатом режиме нагрева температуру печи можно определить по соотношению

(3.10)

По такой же формуле можно предварительно определить и максимальную (конечную при двухступенчатом режиме нагрева заготовки) температуру печи при нагреве массивных тел.

После определения «массивности» тела производят выбор режима нагрева и строят предварительный график нагрева заготовки, на котором отмечают все известные температуры и выделяют периоды нагрева.

После этого разрабатывают (описывают) физическую модель процесса нагрева заготовки в каждом из периодов нагрева и охлаждения заготовки на открытом воздухе. Здесь необходимо привести схематический рисунок тепловых потоков, с отображением изменения температуры в заготовке и окружающей заготовку среде. Описать суть и назначение каждого периода нагрева (с указанием тепловых потоков и граничных условий теплообмена на поверхности заготовки). В конце необходимо представить перечень принятых допущений.