材料热处理的加热_加热计算公式及常用图表


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1)影响加热速度的因素金属材料和制品加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀(透烧)所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变(对钢而言是为了实现奥氏体均匀化和碳化物溶解)所需的保温时间三个部分,即:

 
  t加热=t升温+t均热+t保温  
  金属制品在炉中加热所需时间取决于加热温度、加热介质、材料本身的性质、制品的几何形状和尺寸、成批加热时物料在炉内的堆放方式以及冷热炉装料等因素。  
  热处理加热多采用热炉装料。铸锻件毛坯的退火、正火在大型窑炉中进行,采用冷炉装料。热炉装料时的炉温是影响加热时间的最重要因素。图2.4-52所示为100 mm厚钢材在不同炉温下的表面温度变化。炉温愈高,加热愈快。在不同介质中加热的加热速度有很大差异。铅浴、盐浴、火焰、静止空气中加热时的加热速度比值大致为1:2:3:4。可控气氛炉中加热比空气炉要慢些,真空炉加热更慢。  
 
图2.4-52  100 mm厚钢材在空气介质中于不同炉温下加热时的表面温度变化
 
  金属本身的导热性、钢的合金化程度及奥氏体状态下碳化物溶解的特性都会影响均热和保温时间。对碳素钢和一般合金结构钢而言,超过相变点的加热可使相变过程迅速完成,奥氏体的均匀化也易于进行,且无需考虑过剩合金碳化物的溶解,保温时间的长短将无关紧要。金属的表面(黑度和粗糙度)对加热时间长短有影响。表面黑度大,达到规定温度所需时间就短。  
  利用传热学的数学模型来精确计算金属材料和制品的加热时间非常复杂。在工程上,为了计算上的方便,经常作若干简化或采取经验计算的方法。  
  2)钢件加热时间的经验计算法加热时间通常按工件的有效厚度计算。工件有效厚度一般可按以下规定考虑,圆柱形工件按直径计算。对于管形(空心圆柱件)工件:  
  当高度/壁厚≤1.5时,以高度计算;  
  当高度/壁厚≥1.5时,以1.5壁厚计算;  
  当外径/内径>7时,按实心圆柱体计算。  
  空心内圆锥体工件以外径乘0.8计算。  
  加热时间的计算公式为:t=akD (2.4-20)  
 

式中,t 为加热时间,min或s;。为加热系数,mim/ mm或s/mm;D为工件有效厚度,mm;k为工件装炉条件修正系数,通常取1.0 - 1.5。

 
  表2.4-4和表2.4-5所列为碳钢与合金钢在各种介质中的加热系数和加热时间。  
 
表2.4-4碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数(a值)
 
 

3)从节能的角度考虑的加热时间计算法,进行加热时间计算时,常将金属制件按截面大小分为厚件和薄件。划分厚薄件的依据是毕氏准数β1,即

 
  β1=(α/λ)s (2.4-21)  
 

式中,α为炉料表面的给热系数,W/( m2.℃);A为热导率,W/ (m2.℃);s为炉料的厚度,mm。

 
 

表2.4-5 工模具钢在不同介质中的加热时间-1 表2.4-5 工模具钢在不同介质中的加热时间-2

 
 

?一般认为β1< 0.25算薄件,也有认为β1<0.5为薄件的。对钢而言β1< 0.5,薄件的厚度极限可达280 mm。因此,绝大部分钢材和制件,制品都可以认为是薄件。对于薄件,可以认为表面到温后,表面和心部的温度基本一致,也就是说无需考虑均温时间。总加热时间的计算就变成:t加热=t升量+t保温 (2.4-22)

 
 

薄件可以根据斯太尔理论公式计算炉料升温时间t。其简化式为

 
 
2.4-23
 
 

式中,ρ为工件的密度;c为工件的平均比热容;a为平均总给热系数;T为炉温;T为工件进炉时的温度;T为工件出炉时的温度;V为工件体积;S为工件受热表面积。

 
 

如果设几何指数W=V/S,那么综合物理因素

 
 
2.4-24
 
 

综合物理因素(或称加热系数)K与被加工件的形状(KS)、表面状态(Kh)、尺寸(Kd)、加热介质(Ky)、加热炉次(Ke)等因素有关。所以上式可写成

 
  t = KS Ky Ke Kh Kd W + t保温 (2.4-26)  
 

这些系数的数值范围可参照表2.4-6。对于形状和尺寸不同的工件,W值的计算也是一个较为烦琐的问题。表2. 4-7所列为经过简化处理后的各种典型形状工件的W值。

 
 
这些系数的数值范围可参照表2.4-6
 
 
表2. 4-7所列为经过简化处理后的各种典型形状工件的W值
在空气炉和盐浴炉中加热时的K值范围(见表2.4-8)
 
 

将上列系数综合整理,并通过试验和修正,可得出在空气炉和盐浴炉中加热时的K值范围(见表2.4-8)

 
 

?和t比较,t保温是一个较短的时间,它取决于钢的成分、组织状态和物理性质。对于碳素钢和一部分合金结构钢,t保温可以是零。对合金工具钢、高速钢、高铬模具钢和其他高合金钢可根据碳化物溶解和固溶体的均匀化要求来具体考虑。为了简化计算,也可采取适当增大K值的方式,使t加热的计算式变为

 
 

t加热=K’W

 
 
表2.4-9所列为综合上述K和W值范围而得出的加热时间计算表。
 
  表2.4-9所列为综合上述K和W值范围而得出的加热时间计算表。  
 
表2.4-10所列为几种典型形状工件在盐浴炉中计算加热时间和实际采用的加热时间对比。
 
 

表2.4-10所列为几种典型形状工件在盐浴炉中计算加热时间和实际采用的加热时间对比。

 
 
表2.4-11所列为钢种和尺寸不同的工件在空气中加热时间的比较。
 
  表2.4-11所列为钢种和尺寸不同的工件在空气中加热时间的比较。  
 

上述计算方法适用于单个工件或少量工件在炉内间隔{工件间距离>(1/2)D)}排放加热。堆放加热时,超过一定的堆放量,用KW计算会造成较大出入。堆放量较大时则必须按厚件计算,极为繁琐。在实际生产中,多按工件的单位重量的时间数计算。如在45 kW的箱式电炉中,Φ50 mm以下工件的单位重量加热系数,经过试验可定在0.6 – l.0 min/kg之间,通常取0.6 -0.8min/Kg。表2.4-12所列为工具钢在火焰炉中的加热时间和单位重量工件的加热系数。

 
 
表2.4-12所列为工具钢在火焰炉中的加热时间和单位重量工件的加热系数。
 
     
   
     
 
 
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