Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Термонапряжения при скоростном нагреве металла

При скоростном струйном нагреве, или нагреве атакующими струями, стальных заготовок образуется значительная разность температур по сечению металла.

Неравномерность температурного поля по сечению при струйном нагреве усугубляется еще и температурной асимметрией. В этих условиях образующиеся термонапряжения могут достичь опасных пределов и лимитировать скорость нагрева. Поэтому выявление действительного напряженного состояния и определение допустимой скорости нагрева представляет значительный практический интерес.

В работе рассматривается механизм возникновения температурных или тепловых напряжений и условий, при которых под влиянием температурных напряжений могут появиться дефекты. Образование температурных напряжений вызвано тем, что при нагреве тел угеличивается их объем. При этом наружные слои, имеющие обычно более высокую температуру, стремятся расшириться и поэтому находятся в сжатом состоянии. Внутренние слои, температура которых ниже, оказываются в растянутом состоянии. Так, в соответствии с распределением температур в изделии, происходит переход от сжимающих к растягивающим напряжениям, которые в упругих телах, если напряжения не превосходят предела упругости, изменяются или исчезают в соответствии с изменением или исчезновением температурного градиента. Такие напряжения называются временными, или исчезающими.

Кроме температурных напряжений, в процессе нагрева (охлаждения) могут появиться так называемые структурные напряжения, связанные со структурными превращениями, сопровождающимися изменениями объема. Эти процессы в стали проходят при температурах, превышающих 600°С, и поэтому резко уменьшаются за счет пластической деформации. Имеются и другие причины, вызывающие появление напряжений, например, остаточные напряжения, возникающие в процессе затвердевания металла или закалки. Так как в печах скоростного струйного нагрева рассматриваемых конструкций ведется нагрев заготовок под пластическую деформацию, остановимся лишь на термоупругих напряжениях, возникающих в процессе нагрева. При нагреве непластичных тел напряженное состояние может привести к разрушению лишь в том случае, если величина напряжений достигает предела упругости, близкого в данном случае к пределу прочности. Это особенно опасно при тепловом ударе, т. е. при резком повышении температуры, когда сталь более склонна к хрупкому разрушению. Условия, близкие к тепловому удару, могут возникнуть при нагреве высокоскоростными (или ударными) струями продуктов сгорания.

Исследования в области термоупругости получили достаточно большое развитие во многих научных организациях. В основном это исследования, касающиеся разработки теоретических аспектов проблемы. Опубликованных материалов исследований по экспериментальному определению допустимых скоростей нагрева сталей и сплавов меньше. Представляют интерес исследования, проведенные в Институте металлургии в Остраве по экспериментальному определению допустимых скоростей нагрева заготовок из сталей различного химического состава. Содержание углерода в испытуемых заготовках составляло от 0,07 до 1,23%, марганца — от 0,42 до 1,82, хрома — от 0,07 до 5,48%. Содержание кремния в основном не превышало 0,5%, кроме одного случая, когда испытывалась сталь с высоким содержанием марганца (1,25%) и кремния (1,42%). Для экспериментов были отобраны заготовки круглого сечения диаметром от 110 до 145 мм и квадратного от 80 X 80 до 150 X 150 мм. Скоростной нагрев осуществлялся в камерной печи с размерами рабочего пространства 650 X 600 X 1000 мм. Печь отапливалась газом калорийностью 15 — 17,5 МДж/м³ (3600—4000 ккал/м³). Максимальный расход газа 40 м³/ч, воздуха — 114 м³/ч. Воздух подогревался до 500°С.

Всего было испытано 17 типоразмеров заготовок, нагреваемых с различной скоростью. Скорость нагрева менялась путем добавления кислорода в воздух, поступающий в горелку. Было проведено три серии нагревов. В первой серии кислород и воздух дополнительно не подавался, во второй — в воздух, поступающий на горелке, добавлялось 2,25 м³/ч кислорода, в третьей серии дополнительно подавалось до 4 м³/ч кислорода. Таким образом достигались высокие скорости нагрева заготовок, обеспечивалось 10-кратное сокращение времени нагрева по сравнению с действующими производственными нормами. Так, круглые заготовки диаметром 110 мм нагревались до 120O°С на поверхности за 20—22 мин в первой серии, за 16—18 — во второй и за 12—13 мин — в третьей, а заготовки диаметром 140—145 мм — за 32—35 мин, 25—28 и 20—22 мин соответственно. Квадратные заготовки 100 X 100 мм нагревались за 23—30 мин в первой серии и за 12—14 мин в третьей, а 140 X 140 мм — за 38—40 и 25—27 мин соответственно.

Заготовки перед и после нагрева проверялись на наружные трещины визуально, а на внутренние ультразвуком. В результате было установлено, что квадратные заготовки до 120 X 120 мм при данных скоростях нагрева не имели дефектов, вызванных термическими напряжениями. Внутренние дефекты были обнаружены в заготовках 140 X 140 мм и 150 X 150 мм, т. е. большего сечения, с повышенным содержанием углерода и марганца. Влияние содержания марганца проявилось и у заготовок круглых сечений. Так, во всех сериях скоростного нагрева обнаружились дефекты в заготовках диаметром 110—120 мм из сталей с содержанием углерода 0,43 — 0,65% и марганца 1,13 — 0,72%. Исследователи делают на этом основании вывод, что такие стали практически полностью не пригодны для скоростного нагрева, отмечая в то же время, что трещины на поверхности заготовок визуально обнаружены не были.

Было также установлено, что как правило, внутренние дефекты, имевшиеся в заготовках еще до нагрева, в результате скоростного нагрева увеличивались. Отмечены случаи, когда такие дефекты увеличивались настолько, что образовывались трещины, видимые простым глазом. Так, при нагреве заготовки диаметром 140 мм из стали с содержанием марганца 1,82% при скоростном нагреве третьей серии, т. е. наиболее быстром, наблюдалось увеличение внутреннего дефекта, а в случае нагрева заготовки диаметром 145 мм из стали с содержанием углерода 0,51%, марганца 0,69% аналогичное нарушение целостности материала наблюдалось при второй серии нагрева.

Проведенные эксперименты по скоростному нагреву показали, что вопрос о допустимых скоростях нагрева заготовок из различных сталей остается одним из важных. При разработке технологии нагрева и создании печей необходимо, с одной стороны, не превысить допустимые скорости нагрева, с другой — использовать имеющиеся резервы по скорости нагрева с целью повышения качества металла и увеличения производительности нагревательных печей.

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика