Лекция 4.

ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ПЕРИОДА ДЕФОРМАЦИИ

И ОХЛАЖДЕНИЯ ПОКОВКИ
1.Термический режим ковки.

2. 
   Термический режим охлаждения металла поковки.
   
3. 
   Согласование производительности нагревательного и ковочного оборудования.
   

Литература: /1/, стр. 115-127; /2/ стр. 52- 60.

Качественную сторону процесса горячей деформации: ковка с учётом изменения средней температуры металла в объёме заготовки можно проследить на графике (Рис. 1).



а з Величина зерна

Рис.1. График изменения температуры и величины зерна в стали при нагреве, ковке и охлаждении.

По оси абсцисс отложена средняя величина зерна стали, а по оси ординат — температура. У стали с величиной зерна, указанной буквой а, при нагреве до точки б никаких изменений не происхо­дит. Дальнейшее возрастание температуры в области перехода перлита в аустенит приводит к измельчению зерна; после перехода области критических температур сталь имеет мелкое зерно (на­пример, соответственно точке в). После перехода через Асу зерно увеличивается ввиду собирательной рекристаллизации. К моменту достижения температуры нагрева под ковку (точка г) зерно стали увеличивается, а в процессе остывания заготовки (в период, когда ее извлекают из печи и подносят к ковочному агрегату) продол­жает расти (точка д). Первое обжатие заготовки приведет к измельчению зерна и частичному повышению температуры за счет деформационного разогрева (точка е), а затем в период между двумя обжатиями сталь частично рекресталлизуется при одновременном понижении температуры за счет естественного охлаждения. Если на этом моменте прекратить обработку, то рост зерна замедляется до точки ж, (размер зерна становится равным точке з). При продолжении обработки структура металла соответствует точке к ( изменение по линии и- к) и отличается по от предыдущего зерна более мелким зерном и более высокой температурой. При каждом последующем обжатии процессы повторяются. Если последнее обжатие заканчивается при температурах НТК (точка о), то последующие обжатие будет проходить по линии 0-n, и зерно в точке р окажется более мелким, чем в исходном состоянии.

2.

Время остывания заготовок из стали tо (в сек) может быть определено по следующей эмпирической формуле:

to = 0,006TDo, (1)

где Т — падение температуры в °С;

Dо - диаметр заготовки в мм.


Продолжительность

Рис.2. График для определения времени остывания заготовок на воздухе и в асбестовом кожухе (по данным УЗТМ):

/ — для кожуха с зазором между металлом и асбестом до 50 мм; II — то же, 50—120 мм k_T = t_acб/ t_o (t_асб — время охлаждения под асбестом, to„ — на воздухе).
При остывании заготовки периферийные ее части охлаждаются более интенсивно, чем сердцевина, температура которой снижается медленнее. Значение Т в фор­муле (1) относится к средним тем­пературам по сечению заготовки. На рис. 3 приведен график из­менения времени остывания стали в зависимости от диаметра заго­товки (линия /). Интенсивность остывания стали зависит от отно­сительной величины поверхности заготовки ( /V, где: - поверхность заготовки, излучающая тепло, V -объём заготовки). В реальных условиях интенсивность остывания стали с увеличением диаметра заготовки убывает вследствие уменьшения вели­чины /V (кривая 2).

3.

Для построения кривой 2 на рис. 3 измерялась температура в центре образцов, в связи с чем время остывания получается несколько большим, чем при вычислении по средним температурам сечения.

Для предотвращения поверхностных и внутренних трещин, уменьшения остаточных напряжений и флокенообразования охлаждение поковок проводят по специальному режиму. Общее здесь то, что скорость охлаждения не должна превышать допустимой в зависимости от химического состава стали и размера поковки. Медленное охлаждение необходимо в период перекристаллизации

ввиду наложения напряжений от аллотропических превращений на термические напряжения, причем в поверхност­ных слоях эти напряжения растягивающие. В момент наложения напряжений чаще всего возникают трещины, которые вследст­вие концентрации напряжений распространяются и в глубину. При более низких темпера­турах охлаждение может быть относительно

Рис. 4. Охлаждение металла:

а — изменение температуры слитка массой 45 000 кг при охлаждении в печи; б — охлажде­ние поковок коленчатых валов из углеродистой и низколегированной сталей при диаметре шейки более 600 мм (ЧССР):

/ — снижение температуры до момента укладки в печь; // — выравнивание температуры 12°/W /// — охлаждение с печью 10°/ч; IV — выдержка 10 ч; V — охлаждение 10°/ч;

VI — выдержка 10 ч; VII — охлаждение 10°/'': VIII — выдержка 6—10 ч; IX — охла­ждение в печи; / — вблизи поверхности; 2 — на расстояние Уз радиуса; 3 — в середине сечения слитка; 4 — температура печи; 5 — разность температур

10°/ч;

Продолжительность

быстрым. В це­ховых условиях для средне-углеродистых марок стали применяют охлаждение на воздухе в одиноч­ку или на стеллажах.

Охлаждение поковок в штабелях применяют для марганецсодержащих марок стали. Крупные поковки охлаждают в печах.

На рис. 4, а приведен график охлаждения крупного слитка (45 000 кг) в печи до температуры 630° С, для этого все горелки печи были выключены и заслонки приподняты. Перепад температур по сечению не превысил 160—180° С после 4 ч охлаждения и сохранялся в течение 6 ч. Затем началось уменьшение перепада температур. Через 23 ч перепад температур составлял всего 80° С. На рис. 73, б приведен рабочий график охлаждения крупного коленчатого вала (диаметр цапфы 600 мм, ЧССР). После выравнивания температуры в печи дается выдержка 6—10 ч при температуре 640—650° С, при открытых заслонках тем­пература понижается последовательно до 620, 550 и 400° С со скоростью 10— 12° С/ч и с выдержками при указанных температурах до 10 ч каждая [771.

4.

При необходимости режим охлаждения совмещается с нормаль­ным режимом первичной термической обработки (отжиг, нормализация металла).

Рис.5. График расчета перепада температур.

Режимы нагрева и охлаждения. Осуществление рассмотренных вариантов неоднород­ных тепловых полей требует регулирования как процесса нагрева, так и стадии заданного охлаждения слитка. Причем, если нагре­вом управлять относительно просто, то в производственных усло­виях цеха возможностей для регулирования охлаждения меньше. Длительность и интенсивность охлаждения слитка перед ковкой должны выбираться такими, чтобы обеспечить наиболь­ший перепад прочностных свойств металла в нужных зонах.

Измеряя температуру по­верхности остывающих на воз­духе заготовок (диаметром 360— 1820 мм), можно определить расчетным путем текущую тем­пературу осевой зоны. По этим данным построен график зависимости наибольшего температурного перепада Т_max в поперечном сечении от диаметра слитка D (рис.5). Температура на поверхности слитка соответствовала нижнему пределу температурного интервала ковки конструкционных сталей, т. е. 800 °С. На том же рисунке показана зависимость времени т достижения наибольшего температурного перепада от диаметра поковок D. Экспериментальные и расчетные величины Т_max и , полученные многими исследователями, укладываются в обла­стях, ограниченных линиями -/ и 2. Приближение к линии 1 характеризует более интенсивный отвод теплоты, а к линии 2 — замедление охлаждения. Очищенная от окалины грань слитка опережает по температуре охлаждения другие грани на 80— 120 °С, удаление слоя печной окалины со всей поверхности слитка интенсифицирует теплоотдачу в 1,5—2 раза, а в процессе дефор­мирования охлаждение заготовок с поверхности происходит при­мерно в 3 раза интенсивнее, чем на воздухе, за счет контакта с инструментом.

Таким образом, целесообразно совмещать предварительное охлаждение поверхности слитка с обжатием на заготовительных операциях. Методика определения оптимальных параметров про­цесса предварительного охлаждения состоит в следующем. Вна­чале по графику, приведенному на рис. 3.5, находят для данного диаметра слитка и предполагаемой интенсивности охлаждения температурный перепад, соответствующий наибольшей разнице прочностных свойств металла, а затем определяют требуемое время охлаждения.

Представляет интерес использование теплоты, содержащейся в слитке после его затвердевания. Кроме того, знание исходного поля температур облегчает расчет режимов нагрева и охлаждения.

5.

Для расчета поля температур при охлаждении слитка примем следующие допущения: 1) жидкий металл мгновенно заполняет полость изложницы; 2) слиток имеет форму цилиндра с высотой значительно большей поперечных размеров; 3) выделение теплоты плавления при кристаллизации металла учитывается эквивалент­ным повышением начальной температуры жидкого металла; 4) отвод теплоты происходит перпендикулярно к оси цилиндра. При расчете охлаждения металла используем дифференциальное уравнение теплопроводности:

,

, (1)
для четвертого слоя преобразовали в конечно-разностную форму (рис.6)
^.
Количество теплоты, подводимой к поверхности от оси слитка,

где ^т — коэффициент теплопроводно­сти; То —температура поверхности из­ложницы.

Теплообмен между наружной по­верхностью изложницы и окружающей средой происходит при граничных усло­виях III рода:

,

где: - коэффициент теплопроводности;

Т₀ - температура поверхности изложницы.
Теплообмен между наружной поверхностью изложницы и окружающей средой происходит при граничных условиях III рода:
.

Рис.6. Схема к расчету теплового состояния

2. 
   радиус донной части слитка):
   

1- изложница; 2- зазор.

Температура поверхности слитка:

6.


где Тв — температура окружающей среды.
Коэффициент температуропроводно­сти а зависит от температуры и выби­рается для каждой расчетной точки.

На первом этапе расчет дает время полной кристаллизации после заливки металла в изложницу.

Второй этап решения состоит в расчете температурного поля слитка после его извлечения из изложницы и дальнейшего охлаж­дения на воздухе при транспортировке для деформирования.

Третий этап решения заключается в расчете температурных полей слитка при нагреве в печах с различной температурой (например, 800, 900, 1000, 1100, 1250 °С). Исходное распределение температур получают по результатам расчетов второго этапа решения, когда вычислена конкретная температура поверхности слитка после определенного времени извлечения его из излож­ницы.

Анализ графиков изменения температур по сечению слитка позволяет назначить оптимальные режимы ступенчатого нагрева для получения типовых тепловых полей (одного из показанных на " рис. 3.1). Интегральный учет правомерности принятых допущений можно выполнить, измеряя температуру поверхности изложницы при кристаллизации слитка. Например, для слитка массой 100 т расхождение температур в трех точках поверхности изложницы составляет 5 % для подприбыльной и 8 % для поддонной частей. Это определяет погрешность, связанную с допущением об отсут­ствии теплоотвода через торцы слитка.

В модели теплового состояния надо предусмотреть процесс постепенного выделения скрытой теплоты плавления. При уточ­нении модели теплового состояния слитка изменим характер граничных условий: температуру поверхности изложницы полу­чим экспериментально прямым измерением, т. е. воспользуемся граничными условиями первого рода.

Считаем температурное поле в каждом из выделенных таким образом кольцевых слоев однородным, соответствующим величинам Тi,j. Задача состоит в определении функции Т = Т' (г, t) решением уравнения теплопроводности (1).

При охлаждении слитка в изложнице начальным условием тепло­вого состояния слитка является распределение температур по сечению в момент завершения кристаллизации металла: Т (г, t)\_t=Q = Т (г); граничное условие Тв = Тв (t) . Решением урав­нения теплопроводности с учетом выделения скрытой теплоты плавления при кристаллизации металла есть функция:

7.

Граничное условие Тв == Тв (t) определяем путем расчета тем­пературы на поверхности слитка при известной температуре по­верхности изложницы То и с учетом теплопередачи между слоями металла слитка и в зазоре между изложницей и слитком.

При охлаждении на воздухе, нагреве в печах с различными температурами второй и третий этапы теплового состояния объ­единяют, так как расчеты проводят по одному и тому же уравнению (соответственно изменяя начальные и граничные условия):

Приемлемые для использования в производстве режимы на­грева и охлаждения зависят от массы слитка. Так, например, для слитка массой 100 т процесс нагрева включает следующие стадии: через 5—6 ч после затвердевания металла (через 19—20ч после разливки) посад слитка в печь с температурой 1200 °С и нагрев в течение 3—3,5 ч, после чего выдача на воздух и выдержка в течение 1 ч. Для оперативного использования в производстве модели теплового состояния слитка строят номограммы.

Вопрос о реализации заданных температурных полей в слит­ках в производственных условиях решают на основании экспе­риментальных данных по нагреву и охлаждению слитка с зачеканенными термопарами, которые

Рис.7,а. Номограмма для расчета теплового состояния слитка массой 100 т.:

n - поверхность слитка; ц - осевая зона; Т _п-ц - пере-

пад температур между поверхностью и осевой зоны;

нагрев в печах с температурой: 1 - 800 ⁰С; 2- 900 ⁰С;

3- 1000 ⁰С; 4 - 1100 ⁰С; 5 - 1250 ⁰С.

располагают в плоскости поперечного сечения по середине его длины.




8.
Рис.7,б. Номограмма для расчета теплового состояния слитка массой 40 т.:

n - поверхность слитка; ц - осевая зона; Т _п-ц - пере-

пад температур между поверхностью и осевой зоны;

нагрев в печах с температурой: 1 - 800 ⁰С; 2- 900 ⁰С;

3- 1000 ⁰С; 4 - 1100 ⁰С; 5 - 1250 ⁰С.

Из эксперимента полу­чают сведения об изменении перепада температур в каждой из трех зон поперечного сечения при нагреве, а затем о перепадах температур в тех же зонах при охлаждении слитка. Располагая данными о температурных полях при нагреве и охлаждении, по предложенной методике определяют режимы нагрева слитков любой массы.

Для режимов, обеспечивающих наведение заданных темпера­турных полей, в слитках массой 100 т (рис. .7, а) и 40 т (рис. 7, б) построены номограммы. Разработанные модели теплового состоя­ния слитков позволяют рассчитать и построить аналогичные номограммы для слитков любой массы.

Большое значение имеют тепловые напряжения, возникающие при неоднородных температурных полях;: в металле. Тепловые напряжения рассчитывают с применением теории термоупругости и экспериментальных данных о динамике тепловых процессов при комбинировании нагревов и охлаждении слитка.

Слиток считают цилиндрическим; передачу теплоты в сечении, среднем по длине, принимают происходящей только в радиаль­ном направлении. Формулы для расчета главных напряжений приведены ниже.

Продольные напряжения:

Радиальные напряжения:

Тангенциальные напряжения:

Здесь E— модуль упругости; K — коэффициент пропор­циональности; К — коэффициент Пуассона; — скорость из­менения температуры на поверхности слитка.

9.

Более точные данные о возможности разрушения слитка от тепловых напряжений дает расчет условия пластичности в виде:

Результаты расчета позволяют гарантировать использование ком­бинированных режимов нагрева и охлаждения в процессах ковки.

При согласовании производительности печи с темпом работы кузнеца или штамповщика искомой величиной является число заготовок, одновременно находящихся в печи. Для соответствую­щего расчета используется следующее. Если Z — количество заготовок, находящихся в печи;

Рис. 74. График использования рабочего времени при загрузке печи различными партиями заготовок. Периоды простоя заштрихованы слева, вверх, направо; стрелками показаны моменты загрузки заготовок в печь.

t — время нагрева заготовки данного размера в мин, n — наибольшая про­изводительность ковочного или штамповочного агрегата в час/ шт., то за 1 мин можно изготовить n/ 60 поковок. За время t мин, пока нагреваются заготовки, из печи должно быть выдано t n / 60 заго­товок. Следовательно, одновременно в печи находится

заготовок.

Например, при штамповке 80 шт. поковок в час и времени на­грева заготовок 15 мин в печи должно находиться одновременно 20 заготовок. Если же ускорить нагрев заготовок за 10 мин., то в печи должно находиться 14 заготовок. По такому графику работают механи­зированные печи и автоматизированные установки, в камерных печах условия поштучной загрузки часто не соблюдаются.