Источник: Информационный портал о черной и цветной металлургии
Научные труды ДонНТУ, 2011, металлургия Инженерный метод расчета процесса нагрева массивных стальных заготовок с учетом температурных напряженийПредложен способ определения температурного поля заготовки упрощенным инженерным методом, что позволит исключить брак по нагреву, а также проводить процесс нагрева с минимальными энергетическими затратами. Представлен анализ изменения температурного поля массивных стальных заготовок для области перехода от упругого к пластичному состоянию металла. Ключевые слова: тепловой режим, брак, температурное напряжение, заготовка, теплообмен, инженерный метод, динамика нагрева. Постановка задачи Нагрев перед обработкой давлением крупных заготовок, которые относятся к категории термически массивных тел, сопровождается формированием значительного перепада температур ( и если эти напряжения превосходят допустимые, то это приводит к разрушению металла (трещинам) и браку ( Анализ публикаций по теме исследования Определению параметров нагрева массивных стальных заготовок посвящен ряд работ [1,2,3,4]. В работах Н.Ю.Тайца [4] получены основные зависимости, связывающие механические свойства металла с интенсивностю подвода тепла в процессе нагрева; в работах [1,2] даются практические рекомендации по определению параметров теплового режима. В работе А.В.Лыкова [3] рассматриваются различные математические методы расчета температурного поля, как аналитические, так и численные. В настоящей работе получил развитие инженерный метод расчета температурного поля для области перехода от упругого к пластичному состоянию металла. Формулировка целей статьи В имеющихся публикациях отсутствует анализ изменения температурного поля массивных стальных заготовок в период перехода от упругой к пластической области. В настоящей статье поставлена цель разработать такой анализ, а также предложить способ определения температурного поля заготовки упрощенным инженерным методом. Основная часть В начальном периоде – до достижения пластичности – планируется допустимый перепад температур по допустимому значению напряжений где На конкретной нагревательной печи существует некоторая максимальная плотность теплового потока qmax, определяемая максимально возможной тепловой мощностью печи. Если qдоп > qmax, то температурные напряжения не опасны для металла. Если qдоп < qmax, то требуется дополнительный начальный период нагрева до достижения в центре заготовки (Tц)температуры начала пластичности (Tпласт), т.е. требуется «щадящий» нагрев. В таких случаях планируется режим нагрева, состоящий из, например, трех периодов:
до Тц = Тпласт; до достижения конечного значения температуры печи Тпеч = Тпеч.к. до достижения конечного температурного состояния заготовки. Постановка задачи для решения инженерным методом может быть сформулирована следующим образом. Задаются форма и размер заготовки, механические и теплофизические свойства стали, начальная температура металла, конечное температурное состояние в виде температур на поверхности (Тп) и в центре (Тп.к) заготовки. В процессе расчета требуется определить время нагрева как сумму продолжительности трех периодов. Схема тепловой диаграммы процесса нагрева представлена на рис. 1 в виде изменения во времени характерных температур заготовки (центра Тц, поверхности Тп, среднемассовой Рисунок 1 – Схема теплового режима Первый период нагрева массивного тела начинается с инерционного участка в течение которого тепловой поток достигает центра, и считается, что температура центра остается неизменной, а скорость нагрева поверхности уменьшается. (k – коэффициент формы, a1 - коэффициент температуропроводности при а перепад температур Продолжительность первого периода откуда или где G – масса заготовки, кг; F – поверхность нагрева, м2; или где k3 – коэффициент усреднения температуры, зависящий от формы поперечного сечения заготовки. Второй период начинается с второго инерционного участка в течение которого температура центра увеличивается со скоростью Сн1, пропорциональной qдоп, среднемассовая температура увеличивается со скоростью Сн2, пропорциональной qmax а температура поверхности увеличивается с уменьшающейся скоростью. В течение второго инерционного участка по сечению заготовки формируется перепад температур, пропорциональный qmax. В начале второго периода температура печи скачкообразно изменяется от значения, соответствующего qдоп до значения, соответствующего qмах затем температура печи плавно увеличивается до Тпеч.к. Это происходит в течении периода В конце второго инерционного участка температура поверхности должна повыситься до значения, определяемого из выражения где Если А.В.Лыков [3] предложил решение для начального участка в виде где значение критерия Фурье находится в пределах 0-0,12. Численным экспериментом показано, что с погрешностью не более 5% можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, и тогда Применительно к мгновенному переходу от Приращение Среднемассовая температура заготовки в конце периода qmax=const определяется по скорости нагрева Сн2 а температура в центре – по скорости Cн1 Продолжительность третьего периода определяется по методу тепловой диаграммы где а На рисунке 2 представлены результаты разработки теплового режима нагрева стальной цилиндрической заготовки диаметром 0,8м с ограничением скорости нагрева по температурным напряжениям с применением инженерного метода. Рисунок 2 – Режим нагрева, рассчитанный по инженерному методу На рисунке 3 приведён режим, разработанный численным методом конечных разностей (неявная схема). Сравнение методов показывает высокую сходимость. Рисунок 3 – Режим нагрева, разработанный численным методом Выводы Таким образом, в работе предложен инженерный метод тепловой диаграммы для разработки режима нагрева массивной стальной заготовки с ограничениями по температурным напряжениям, а также сделан анализ динамики нагрева при мгновенном увеличении теплового потока. Применение метода даёт возможность исключить брак по нагреву, а также провести процесс нагрева с минимальными энергетическими затратами. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
|