Chơng Nung kim loại 3.1 Khái niệm chung 3.1.1 Mục đích trình nung Nung kim loại khâu quan trọng nhiều trình sản xuất luyện kim Trong gia công kim loại áp lực, nung nóng nhằm mục đích tăng độ dẻo, giảm trở lực biến dạng, làm tăng khả biến dạng kim loại, điều cho phép tăng suất gia công, giảm đợc yêu cầu công suất thiết bị giảm hao mòn dụng cụ Trong gia công nhiệt luyện, kim loại đợc nung nóng đến nhiệt độ thích hợp trớc làm nguội để đạt đợc thay đổi tổ chức theo yêu cầu Quá trình nung kim loại đợc thực lò nung, cờng độ nung kim loại phụ thuộc công tác nhiệt lò mà phụ thuộc nhiều yếu tố khác nh−: tÝnh chÊt nhiƯt, vËt lý cđa kim lo¹i, kÝch thớc hình dạng vật nung Việc xác định hợp lý cờng độ nung thời gian nung có ảnh hởng lớn đến chất lợng sản phẩm nh tiêu kinh tế, kỹ thuật lò 3.1.2 Các tợng xẩy nung Trong trình nung, tuỳ theo kim loại nh điều kiện nung xẩy nhiều tợng không mong muốn nh: tợng oxy hóa kim loại, tợng thấm thoát cácbon (đối với loại thép), tợng nhiệt cháy, tợng nứt - Hiện tợng oxy hóa: môi trờng nhiệt độ cao tác động môi trờng khí lò, kim loại lớp bề mặt bị oxy hóa, gây cháy hao kim loại Lợng kim loại bị cháy hao lần nung để cán rèn từ 1- %, nung để nhiệt luyện khoảng 0,5 1,0 % Tốc ®é oxy hãa kim lo¹i xÈy m¹nh ë nhiƯt ®é cao, vÝ dơ ®èi víi chi tiÕt b»ng thép nhiệt độ 800oC xẩy với tốc độ lớn - Hiện tợng thoát bon: Đối với chi tiết thép, song song với trình oxy hóa xẩy trình khử bon, phản ứng khử cacbon xẩy nh sau: 2H2 + Fe3C → 3Fe + CH4 CO2 + Fe3C → 3Fe + 2CO H2O + Fe3C → 3Fe + H2 + CO - 43 - - HiƯn t−ỵng nøt: Khi nung, tốc độ nung lớn, kim loại phát sinh ứng suất nhiệt lớp kim loại có nhiệt độ khác nhau, ứng suất sinh lớn, kim loại bị nứt Do vậy, nung loại thép có hàm lợng cacbon cao, thép hợp kim lúc đầu phải nung với tốc độ chậm để tránh nứt (trong khoảng nhiệt độ dới 500oC), nhiệt độ cao cần nung với tốc độ lớn để giảm cháy hao tăng suất Còn nhiệt độ nung chọn không hợp lý dẫn đến kim loại bị nhiệt cháy làm giảm chất lợng sản phẩm gây phế phẩm 3.1.3 Chế độ nung nung kim loại Chế độ nung định cờng độ nung kim loại, thờng đợc thể qua giản đồ nung, biểu thay đổi nhiệt độ lò, nhiệt độ kim loại theo thời gian Chọn chế độ nung hợp lý nâng cao tiêu kỹ thuật, chất lợng sản phẩm mà làm tăng đáng kể hiệu kinh tế Tuỳ thuộc tính chất kim loại, hình dáng, kích thớc nh nhiệt độ yêu cầu sau nung, ng−êi ta cã thĨ øng dơng nhiỊu chÕ ®é nung khác Trên hình 3.1 trình bày số giản đồ nung với chế độ nung điển hình toC toC toC tk tk tm tk tm tm tt tt I a) τ tt II I τ I II III c) b) Hình 3.1 Giản đồ nung a) Nung giai đoạn b) Nung giai đoạn c) Nung giai đoạn - Giản đồ hình 3.1a: giản đồ nung giai đoạn thờng áp dụng cho vật nung mỏng vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt lớn (trở nhiệt bé) - Giản đồ hình 3.1b: giản đồ nung hai giai đoạn thờng áp dụng cho vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt lớn (trở nhiệt trung bình) độ chênh lệch nhiệt độ mặt tâm cho phép sau nung lớn - 44 - - Giản đồ hình 3.1c: giản đồ nung ba giai đoạn có giai đoạn giữ nhiệt, áp dụng cho vật nung dày, có hệ số dẫn nhiệt thấp (trở nhiệt cao) độ chênh lệch nhiệt độ mặt tâm cho phép sau nung bé Khi xây dựng giản đồ nung, chọn nhiệt độ lò cao, cờng độ nung lớn, giảm đợc thời gian nung, giảm đợc cháy hao kim loại nhng dễ gây nứt (nhất giai đoạn nhiệt độ vật nung thấp) nhiệt kim loại Ngợc lại, chọn nhiệt độ lò thấp, cờng độ nung bé, thời gian nung kéo dài, tăng oxy hoá (nhất nhiệt độ cao) giảm suất 3.2 Tính toán thời gian nung 3.2.1 Các điều kiện giới hạn nung Tính toán trình nung kim loại liên quan tới việc giải phơng trình vi phân truyền nhiệt dẫn nhiệt (phơng trình Phu-ri-ê) có dạng: 2t 2t 2t t = a⎜ + + ⎟ ⎜ ∂x ∂τ y z (3.1) Trong a hƯ sè trun nhiƯt ®é: a= λ cρ [m2/s] (3.2) Nghiệm phơng trình (3.1) xác lập mối quan hệ thay đổi nhiệt độ vật thể theo thời gian không gian: t = f (x, y, z, ) (3.3) Nghiệm cụ thể phơng trình phụ thuộc vào điều kiện giới hạn: trạng thái nhiệt độ ban đầu vật thể (gọi điều kiện ban đầu), kích thớc hình học vật thể quy luật trao đổi nhiệt bề mặt vật thể với môi trờng chung quanh (gọi điều kiện biên) a) Điều kiện ban đầu : điều kiện giới hạn thời gian, xác định phân bố nhiệt độ vật thể thời điểm ban đầu = 0, biểu thị hàm số có dạng: tđ = f(x, y, z, 0) (3.4) Trờng hợp đơn giản trờng hợp nhiệt độ ban đầu vật thể điểm nh nhau: tđ = t0 = const Đối với trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ ban đầu vật thể không ảnh hởng đến phân bố nhiệt độ vật thể nên điều kiện giới hạn thời gian không cần ý đến - 45 - b) Điều kiện biên: điều kiện giới hạn không gian, đợc chia ba trờng hợp: - Điều kiện biên loại 1: cho chế độ nhiệt độ bề mặt vật thể, nghĩa cho biết nhiệt độ bề mặt vật thể thay ®ỉi nh− thÕ nµo theo thêi gian: tm = f(τ) (3.5) Ví dụ nhiệt độ bề mặt vật thể tăng theo hµm sè bËc nhÊt: tm = Cnτ hay tm = tđ + Cn (3.6) Trong Cn tốc độ nung [oC/s] - Điều kiện biên loại 2: cho trớc dòng nhiệt qua mặt vật thể q = f() hay q = const (3.7) - Điều kiện biên loại 3: Cho chế độ nhiệt độ nguồn nhiệt quy luật truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật thể tlò = f() Và hay q = α(t lß − t m ) hay tlß = const (3.8) 4 q = C (Tlß − Tm ) 3.2.2 Phơng pháp tính Trong trờng hợp tổng quát, việc xác định thời gian nung phơng pháp giải giải tích phơng trình vi phân truyền nhiệt kết hợp với điều kiện giới hạn thờng phức tạp gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, trờng hợp đơn giản nh vật nung có dạng hình học đơn giản (hình tấm, hình trụ, hình cầu) với giả thiết gần đúng, cho phép ta giải toán với độ xác chấp nhận đợc Dới khảo sát số trờng hợp điển hình tính toán thời gian nung kim loại lò a) Phân loại vật nung Để tính toán ngời ta phân vật nung thành hai loại: vật mỏng vật dày Các vật nung đợc coi vật mỏng vật có trở nhiệt bé (tỉ số chiều dày hệ số dẫn nhiệt x 0) , vật mà vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rÊt lín λ ( λ → ∞ ) hc chiỊu dµy cđa vËt bÐ ( x → ) Khi nhiệt độ vật gần nh đồng toàn bé vËt thĨ vµ chØ phơ thc thêi gian: t = f ( ) Các vật dày vật có trở nhiệt lớn ( x có giá trị đáng kể), nhiệt độ vật nung phụ thuộc toạ độ điểm khảo sát thời gian: - 46 - t = f (x, y, z, ) Khi bỏ qua chênh lệch nhiệt độ mặt tâm trình nung Trong tính toán, ngời ta thờng dùng tiêu chuẩn Bi (tiêu chuẩn Bi-ô) để xác định giới hạn vật mỏng vật dày: Bi = αx λ (3.9) Trong ®ã: α - hƯ sè trao ®ỉi nhiƯt [W/m2.®é] λ - hƯ sè dÉn nhiƯt [W/m.độ] x - tọa độ điểm khảo sát [m] Khi giá trị Bi < 0,25 vật nung đợc gọi vËt máng vµ Bi > 0,5 gäi lµ vËt dµy, với giá trị Bi = 0,25 - 0,5 đợc coi vật trung bình nhng tính toán thờng tính toán theo vật dày b) Tính thời gian nung vật mỏng Để tính toán thời gian nung vật mỏng với điều kiện biên loại 3, ngời ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, ứng với giai đoạn coi nhiệt độ lò nhiệt độ vật không đổi lấy giá trị trung bình Tổng thời gian nung xác định theo công thøc: n τ = ∑ τ ni [h] (3.10) i =1 Khi thời gian nung với giai đoạn tÝnh theo c«ng thøc: τi = xρc (Ftc − Ftd ) k [h] (3.11) Trong đó: x - chiều dày quy dẫn [m] - khối lợng riêng vật liƯu, [kg/m3] c- nhiƯt dung cđa vËt liƯu [Kcal/kg.oC] k - hệ số hình dạng, ví dụ dạng tÊm k = 1, d¹ng trơ k = α - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt [Kcal/m2.h.oK4] Ftđ, Ftc - thông số nhiệt độ, tra theo biểu đồ (hình 3.2 3.3) ứng với nhiệt độ đầu cuối giai đoạn Các thông số vật lý biểu thức chọn theo nhiệt độ trung bình - 47 - Ft tkoC Hình 3.2 Biểu đồ xác định thông số nhiƯt ®é tÝnh thêi gian nung ®èi víi vËt mỏng tk 1000oC c) TÝnh thời gian nung vật dày Để tính toán với vật nung đợc coi vật dày, ngời ta ứng dụng rộng rÃi phơng trình tiêu chuẩn đợc thiết lập sở lý thuyết đồng dạng Khi phơng trình vi phân truyền nhiệt đợc viết lại dới dạng phơng trình tiêu chuẩn đồng dạng đại lợng không thứ nguyên Đối với vật nung đơn giản điều kiện biên loại ba, phơng trình có dạng: - 48 - = Trong = ⎛ ϑτ x ⎞ = F⎜ Bi, Fo, ⎟ ⎜ x0 ⎟ ϑ0 ⎠ ⎝ (3.12) ϑτ th«ng sè nhiệt độ tơng đối, xác định theo công thức (3.13): ϑ0 φ= ϑ τ t k − t vτ = ϑ0 t k − t vτo (3.13) t k - nhiệt độ trung bình khí lò [oC] t v - nhiệt độ điểm khảo sát vật nung thời điểm [oC] t vo - nhiệt độ ban đầu điểm khảo sát vật nung [oC] Fo- tiªu chuÈn Fu-ri-ª: Fo = aτ x2 (3.14) x x - tọa độ tơng đối điểm khảo sát, = điểm khảo sát tâm vật x0 x0 thể, x = điểm khảo sát bề mặt vật thể x0 Bằng tính toán lý thuyết thực nghiệm, ngời ta xây dựng biểu đồ biểu thị quan hệ tiêu chuẩn (phơng trình 3.12) ứng với trờng hợp khác Trên hình (3.4 - 3.7) giới thiệu biểu đồ tính toán ứng với vật nung dạng dạng trụ Hình 3.4 Nhiệt độ tơng đối bề mặt vật vật nung dạng - 49 - Hình 3.5 Nhiệt độ tơng đối tâm vật vật nung dạng Hình 3.6 Nhiệt độ tơng đối mặt vật vật nung dạng trụ Thời gian nung vật dày gồm thời gian nung thời gian giữ nhiệt, để tính toán ngời ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, giai đoạn nhiệt độ khí lò nhiệt độ kim loại đợc coi nh không đổi lấy nhiệt độ trung bình Khi tổng thời gian nung xác định bëi c«ng thøc: n −1 τ = ∑ τ ni + τ gn (3.15) i =1 Trong ®ã: n - số giai đoạn nung giữ nhiệt - 50 - ni - thời gian nung ứng với giai đoạn thứ i gn - thời gian giữ nhiệt với mục đích làm đồng nhiệt độ tâm mặt Hình 3.7 Nhiệt độ tơng đối tâm vật vật nung dạng trụ Để tính thời gian nung bản, ta tiến hành tính toán cho giai đoạn Trong giai đoạn, dựa vào nhiệt độ trung bình kim loại, lấy gần theo nhiệt độ td + tc trung bình mặt vật t i = m m , xác định thông số vật lý cđa vËt liƯu, tÝnh tiªu chn Bii, nhiƯt độ tơng đối bề mặt m,i tra biểu đồ Fo m = F (Bi, m ) để xác định tiêu chuẩn Foi Biết giá trị Foi, tính ®−ỵc thêi gian nung: τ n ,i Fo i x = (3.16) Sau dùng giản đồ φ t = F (Bi i , Fo i ) , xác định đợc t ,i tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn theo công thức: t c,i = t k ,i − (t k ,i − t d,i )φ t ,i t t (3.17) §Ĩ tÝnh thêi gian giữ nhiệt, trớc hết cần xác định độ chênh nhiệt độ cho phép mặt tâm cuối giai đoạn giữ nhiệt: [t c ] = t cm t ct = δt.x - 51 - (3.18) Trong t độ chênh nhiệt độ cho phép đơn vị chiều dày [oC/cm], x0 chiều dày truyền nhiệt [cm] Nếu đầu giai đoạn giữ nhiệt (cuối giai đoạn nung cuối cùng) độ chênh nhiệt độ mặt tâm t d > [t c ] ta phải tính thời gian giữ nhiệt Giả thiết nhiệt độ tâm kết thúc giữ nhiệt yêu cầu t c , xác định nhiệt độ t mặt tấm: t c = t c + ∆t c m t (3.19) BiÕt t d , t d t c , tính đợc Bi m, tra biểu đồ Fo m = (Bi, m ) để xác định giá trị m t m cđa Fo vµ tÝnh τgn Fo = aτ x0 0,12 0,8 1 0,4 0,2 0,4 0,6 ∆t c ∆t c Hình 3.8 Biểu đồ tra Fo giữ nhiệt 1) D¹ng tÊm 2-5) D¹ng thái (khi B/S=2;1,5;1,2;1) 6) D¹ng trơ §Ĩ tÝnh thêi gian gi÷ nhiƯt τgn tm= const, sử dụng phơng trình thực nghiệm dạng vật nung: - Đối với dạng tấm: aτgn −2 , 47 ∆t c x0 = 1,03.e t d - (3.20) Đối với dạng trụ: 5, 76 ∆t c = 1,142.e ∆t d aτgn r0 aτgn (3.21) aτgn −2 , 47 −8, 25 ∆t c r0 h Hc = 1,142.e r0 Bith, vật nung coi vật dày - Tính nhiệt độ tơng đối mặt tấm: m1 = - T k1 − Tm1 1448 − 1000 = = 0,15 T k1 − Tm 1448 − 293 TÝnh thêi gian nung giai đoạn 1: Biết Bi1 = 0,57, m1 = 0,15 tra biĨu ®å Fo m = (Bi , m1 ) xác định đợc Fo = 3,4 tính đợc thời gian nung: n1 = - Fo x 3,4.0,12 = = 1,04 a1 0,33 [h] Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: ⎛ x ⎞ BiÕt Bi, Fo tra biĨu ®å φ t = Bi, F0 , xác định đợc t1 = 0,2 tính nhiệt độ tâm x0 cuối giai đoạn: t t1 = t k1 − (t k1 − t t ).φ t1 = 1175 − (1175 − 20).0,2 = 944 b) Giai đoạn nung 2: - Nhiệt độ trung bình khÝ lß: t k = 1350 - [oC] NhiƯt độ trung bình kim loại: - 54 - [oC] t2 = t m1 + t m 1000 + 1200 = = 1100 2 [oC] Tra b¶ng ta cã: ρ = 7696 [kg/m3], λ = 24,5 [Kcal/m.h.oC], c = 0,165 [Kcal/kg.oC] tính đợc a2 = 0,02 [m2/h] - HƯ sè trun nhiƯt bøc x¹: α 2,bx 4 ⎡⎛ ⎤ T k2 ⎞ ⎛ T ⎞ ⎥ ⎡⎛ 1623 ⎞ ⎛ 1373 ⎞ ⎤ ⎟ −⎜ ⎟ ⎢⎜ C2 ⎟ ⎥ ⎟ −⎜ ⎢⎜ 100 ⎟ ⎜ 100 ⎟ ⎥ 2,57.⎢⎜ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥ ⎢ ⎢ ⎣ ⎦ = 348 [Kcal/m2.h.oK4] ⎣ ⎦= = 1623 − 1373 T k2 − T Lấy 2,dl = 0,05.1,bx , ta tính đợc hệ sè trun nhiƯt tỉng céng: α1 = α 1,bx + α1,dl = 1,05.α1,bx = 1,05.348 = 365 - TÝnh tiªu chuÈn Bi: Bi = - α x 365.0,1 = = 1,49 24,5 Tính nhiệt độ tơng ®èi cđa mỈt tÊm: φm2 = - [Kcal/m2.h.oK4] T k − Tm 1623 − 1473 = = 0,43 T k − Tm1 1623 − 1273 TÝnh thêi gian nung giai đoạn: Biết Bi2 = 1,49, m2 = 0,43 tra biĨu ®å Fo m = (Bi , m ) xác định đợc Fo = 0,5 tính đợc thời gian nung: Fo x 0,5.0,12 τ2 = = = 0,25 a2 0,02 - [h] Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: BiÕt Bi2, Fo2 tra biĨu ®å φ t = (Bi , Fo ) xác định đợc t = 0,6 tính nhiệt độ tâm cuối giai ®o¹n: t t = t k − (t k − t t1 ).φ t = 1350 − (1350 − 944).0,6 = 1106 c) TÝnh thêi gian giữ nhiệt - Nhiệt độ trung bình khí lò: t k = 1250 [oC] Độ chênh nhiệt độ mặt tâm cho phép 3oC/cm: - 55 - [oC] ∆t = δt.x = 30 TØ sè [oC] ∆t c 30 = = 0,32 , tra biÓu ®å (3.8) nhËn ®−ỵc Fo = 0,5, tÝnh ®−ỵc: ∆t d 94 τ gn Fo x 0,5.0,12 = = = 0,23 [h] a3 0,022 VËy thêi gian nung tæng céng: τ = τ1 + τ + τ gn = 1,04 + 0,25 + 0,23 = 1,52 - 56 - [h] ... ) kα [h] (3. 11) Trong ®ã: x - chiỊu dµy quy dÉn [m] ρ - khối lợng riêng vật liệu, [kg/m3] c- nhiệt dung vật liệu [Kcal/kg.oC] k - hệ số hình dạng, ví dụ dạng k = 1, dạng trơ k = α - hƯ sè trao... phơng trình có dạng: - 48 - φ= Trong ®ã φ = ⎛ ϑτ x ⎞ = F⎜ Bi, Fo, ⎟ ⎜ x0 ⎟ ϑ0 ⎠ (3. 12) thông số nhiệt độ tơng đối, xác định theo công thức (3. 13) : = t k − t vτ = ϑ0 t k − t vo (3. 13) t k - nhiệt... (phơng trình 3. 12) ứng với trờng hợp khác Trên hình (3. 4 - 3. 7) giới thiệu biểu đồ tính toán ứng với vật nung dạng dạng trụ Hình 3. 4 Nhiệt độ tơng đối bề mặt vật vật nung dạng - 49 - Hình 3. 5 Nhiệt